DE102007028057A1

DE102007028057A1 - MRAM-Zelle, welche eine Magnetisierung entlang mehrerer Achsen verwendet, und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102007028057A1
Application number: DE102007028057A
Authority: DE
Inventors: Rainer Leuschner
Original assignee: Qimonda AG; Altis Semiconductor SNC
Current assignee: Infineon Technologies AG; Altis Semiconductor SNC
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2008-01-03
Also published as: US20070297222A1; US7643332B2

Abstract

Eine magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle weist eine Freie-Schichtstruktur auf und eine Referenzschichtstruktur, welche eine anti-ferromagnetische Schichtstruktur zum Festlegen der magnetischen Ausrichtung der Referenzschichtstruktur aufweist, wobei die Referenzschichtstruktur eine höhere magnetische Koerzitivkraft aufweist und magnetisch polarisierbar ist, bidirektional und parallel zu mehr als einer Achse mittels eines Magnetfeldes, welches angelegt wird während einer Schreiboperation, so dass Information in die Referenzschichtstruktur gespeicher wird während des Erhitzens der anti-ferromagnetischen Schichtstruktur über ihre Blockiertemperatur.

Description

Die Erfindung betrifft magnetische Vielfachzugriffsspeicher-Zellen (MRAM-Zellen) und insbesondere MRAM-Zellen, welche eine Magnetisierung entlang mehrerer Achsen verwenden, und Verfahren zu deren Betrieb.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicher(MRAM)-Einrichtungen werden immer wichtiger als möglicher Ersatz für herkömmliche RAM-Speicherstrukturen wie beispielsweise dynamische und statische RAM-Strukturen. MRAM-Einrichtungen zeigen ähnliche Zugriffsgeschwindigkeiten und eine größere Immunität hinsichtlich Strahlung verglichen mit herkömmlichen DRAM-Strukturen und SRAM-Strukturen und benötigen vorteilhafterweise keine angelegte Energie zum Halten ihres logischen Zustandes.
1 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen MRAM-Zellenstruktur. Die MRAM-Zellenstruktur weist im Allgemeinen eine so genannte freie Schicht 102 auf, eine Referenzschicht 104 und einen Barrierenübergang 106 zwischen denselben. Die freie Schicht 102 und die Referenzschicht 104 werden gebildet aus Materialien, welche eine bestimmte magnetische Orientierung (auch bezeichnet als magnetische Ausrichtung) besitzen, wobei ihre relativen Orientierungen entweder parallel zueinander sind, in welchem Fall die MRAM-Zelle einen relativ niedrigen Tunnel-Magneto-Widerstand zwischen der oberen Elektrode 110a und der unteren Elektrode 110b aufweist, oder anti-parallel, in welchem Fall die MRAM-Zelle einen relativ hohen Tunnel-Magneto-Widerstand zwischen der oberen Elektrode 110a und der unteren Elektrode 110b aufweist.
Die freie Schicht 102 weist beispielsweise ein Material auf oder besteht aus einem solchen, welches eine niedrigere magnetische Koerzitivkraft aufweist und kann daher einfacher neu ausgerichtet werden verglichen mit der Referenzschicht 104, welche ihre magnetische Polarisation beibehalten soll. Der Zustand der MRAM-Zelle wird ausgelesen, indem ein vordefinierter Strom zwischen der oberen Elektrode 110a und der unteren Elektrode 110b geführt wird und die resultierende Spannung beobachtet wird. Ein Programmieren kann durchgeführt werden unter Verwendung von zwei herkömmlichen Techniken. Eine Programmiertechnik ist darin zu sehen, einen Bitleitungselektrode-Feldstrom anzulegen sowie einen Wortleitungselektrode-Feldstrom entlang einer bestimmten Richtung mittels einer oberen Elektrode und einer unteren Elektrode an eine bestimmte MRAM-Speicherzelle, welche an einem Kreuzungspunkt der oberen Elektrode und der unteren Elektrode angeordnet ist, wobei der angelegte Strom eine ausreichende Größe aufweist, so dass ein Magnetfeld erzeugt wird, welches die magnetische Orientierung der freien Schicht entsprechend ausrichtet. Jedoch benötigt dieser Ansatz die Erzeugung eines hohen Stromtreiberpegels, was in einem hohen Energieverbrauch resultiert und in dem Erfordernis von großen Gate-Peripherie-Transistoren zum Handhaben von Spitzenstrom-Bedingungen.
Thermisch-unterstütztes Programmieren repräsentiert eine andere bekannte MRAM-Programmiertechnik. Bei diesem Ansatz wird ein Heizstrom entlang der Barriereschicht des MRAMs zugeführt, deren Widerstand ein Erhitzen der freien Schicht auf eine vordefinierte Temperatur bewirkt. Die freie Schicht ist vorzugsweise hergestellt aus einem Material, welches eine geringe abnehmende magnetische Koerzitivkraft mit steigender Temperatur zeigt, so dass, wenn die freie Schicht ausreichend geheizt wird, niedrigere Magnetfeldströme verwendet werden können zum Neu-Ausrichten einer existierenden magnetischen Polarisation der freien Schicht.
Obwohl thermisch-unterstütztes Programmieren zu einer Reduktion des Platzes pro Bit-Verhältnisses beiträgt, besteht weiterhin der Bedarf nach einer weiteren Reduktion des Platzes pro Bit-Verhältnisses.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine MRAM-Zelle bereitgestellt, welche ein Speichern von mehr als einem Bit pro Zelle ermöglicht. Eine erhöhte Speicherkapazität pro Zelle erlaubt das Implementieren von MRAM-Speichereinrichtungen und Arrays mit mindestens der zweifachen Speicherkapazität verglichen mit der herkömmlichen Speicherkapazität bei gleicher Chipgröße und gleicher Technologie.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle bereitgestellt mit einer "freie Schichtstruktur" (im Folgenden auch bezeichnet als "Freie-Schichtstruktur") und einer Referenzschichtstruktur aufweisend eine anti-ferromagnetische Schichtstruktur, welche die magnetische Orientierung der Referenzschichtstruktur festlegt (pinnt), wobei die Referenzschichtstruktur eine höhere magnetische Koerzitivkraft aufweist und magnetisch polarisierbar ist bidirektional und parallel zu mehr als einer Achse eines während einer Schreiboperation angelegten magnetischen Feldes, so dass Information in der Referenzschichtstruktur gespeichert wird während die anti-ferromagnetische Schichtstruktur über ihre Blockiertemperatur erhitzt wird.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle bereitgestellt mit einer Referenzschichtstruktur, welche eine anti-ferromagnetische Schichtstruktur zum Festlegen der magnetischen Orientierung der Referenzschichtstruktur aufweist. Weiterhin ist eine Freie-Schichtstruktur vorgesehen und eine nicht-magnetische Tunnelbarriere-Schichtstruktur, welche zwischen der Referenzschichtstruktur und der Freie- Schichtstruktur angeordnet ist. Die Referenzschichtstruktur weist eine größere magnetische Koerzitivkraft auf als die Freie-Schichtstruktur und die Referenzschichtstruktur ist magnetisch polarisierbar bidirektional und parallel zu zwei unterschiedlichen Achsen mittels eines magnetischen Feldes, welches während einer Schreiboperation angelegt wird, so dass Information in der Referenzschichtstruktur gespeichert wird, während die anti-ferromagnetische Schichtstruktur über ihre Blockiertemperatur erhitzt wird.
Eine Wortleitungselektrode und eine Bitleitungselektrode zum Erzeugen des magnetischen Feldes können in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in den magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzellen vorgesehen sein.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Freie-Schichtstruktur eine „leichte" Achsenrichtung auf (Easy Axis) parallel zu dem magnetischen Feld, welches von einer der Elektroden erzeugt wird.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Bitleitungselektrode elektrisch mit der Speicherzelle und der Freie-Schichtstruktur gekoppelt, wobei die Freie-Schichtstruktur eine leichte Achsenrichtung parallel zu dem magnetischen Feld aufweist, welches von der Bitleitungselektrode erzeugt wird.
Weiterhin kann die Freie-Schichtstruktur eine Kobalt-Eisen-Bor-Schicht aufweisen oder sein mit einer einachsigen Anisotropie, welche die leichte Achsenrichtung definiert.
Die Freie-Schichtstruktur kann ferner eine Kobalt-Eisen-Bor-Schicht sein mit einer Schichtdicke in einem Bereich von ungefähr 15 Angström bis ungefähr 25 Angström.
Weiterhin kann die anti-ferromagnetische Schichtstruktur eine Iridium-Mangan-Schicht oder eine Eisen-Mangan-Schicht sein.
Die Iridium-Mangan-Schicht oder Eisen-Mangan-Schicht kann eine Schichtdicke in einem Bereich von ungefähr 20 Angström bis ungefähr 150 Angström aufweisen.
Weiterhin kann die ferromagnetische Schichtstruktur eine Kobalt-Eisen-Schicht sein oder eine Kobalt-Eisen-Bor-Schicht.
Die Kobalt-Eisen-Schicht oder die Kobalt-Eisen-Bor-Schicht kann eine Schichtdicke von ungefähr 18 Angström aufweisen.
Weiterhin kann die magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle eine Heizstromquelle aufweisen zum Bereitstellen des Heizstroms für die magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle, womit die anti-ferromagnetische Schicht geheizt wird.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle bereitgestellt mit einer Referenzschichtstruktur, welche eine anti-ferromagnetische Schichtstruktur zum Festlegen der magnetischen Ausrichtung der Referenzschichtstruktur aufweist. Weiterhin kann eine Freie-Schichtstruktur vorgesehen sein sowie eine nicht-magnetische Tunnelbarriere-Schichtstruktur, welche zwischen der Referenzschichtstruktur und der Freie-Schichtstruktur angeordnet ist. Die Referenzschichtstruktur kann eine höhere magnetische Koerzitivkraft aufweisen als die Freie-Schichtstruktur und die Referenzschichtstruktur kann magnetisch polarisierbar sein bidirektional und parallel zu einem magnetischen Feld, welches erzeugt wird von einer Bitleitungselektrode und parallel zu einem magnetischen Feld, welches erzeugt wird von einer Wortleitungselektrode während einer Schreiboperation, so dass Information in die Referenzschichtstruktur gespeichert werden kann während des Erhitzens der anti-ferromagnetischen Schichtstruktur über ihre Blockiertemperatur.
Die Bitleitungselektrode kann elektrisch mit der Speicherzelle gekoppelt sein und die Freie-Schichtstruktur kann eine leichte Achsenrichtung aufweisen parallel zu dem magnetischen Feld, welches von der Bitleitungselektrode erzeugt wird.
Die anti-ferromagnetische Schichtstruktur kann eine künstliche anti-ferromagnetische Schichtstruktur sein.
Ferner kann die anti-ferromagnetische Schichtstruktur aufweisen eine erste magnetische Schicht, welche ein erstes magnetisches Moment aufweist, eine zweite magnetische Schicht, welche ein zweites magnetisches Moment aufweist, und eine anti-ferromagnetische Schicht, welche zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht angeordnet ist, wobei die erste magnetische Schicht in Kontakt mit der nicht-magnetischen Tunnelbarriere-Schichtstruktur ist.
Das erste magnetische Moment und das zweite magnetische Moment können bei Raumtemperatur ausgeglichen sein, was zu einer Abwesenheit eines magnetischen Offset-Feldes der künstlichen anti-ferromagnetischen Schichtstruktur führt, wobei bei einer hohen Temperatur das erste magnetische Moment über das zweite magnetische Moment dominiert.
Die erste magnetische Schicht kann hergestellt sein aus Kobalt-Eisen-Bor und die anti-ferromagnetische Schicht kann aus Ruthenium hergestellt sein.
Weiterhin kann die erste magnetische Schicht eine Schichtdicke von ungefähr 18 Angström aufweisen.
Die anti-ferromagnetische Schicht kann eine Eisen-Mangan-Schicht aufweisen.
Die Eisen-Mangan-Schicht kann eine Schichtdicke von ungefähr 120 Angström aufweisen.
Weiterhin kann die Freie-Schichtstruktur eine künstliche anti-ferromagnetische Schichtstruktur aufweisen.
Die künstliche anti-ferromagnetische Schichtstruktur der Freie-Schichtstruktur kann eine erste magnetische Schicht aufweisen, welche ein erstes magnetisches Moment aufweist, eine zweite magnetische Schicht, welche ein zweites magnetisches Moment aufweist, und eine anti-ferromagnetische Schicht, welche zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht angeordnet ist, wobei die erste magnetische Schicht in Kontakt mit der nicht-magnetischen Tunnelbarriere-Schichtstruktur ist.
Das zweite magnetische Moment kann bei Raumtemperatur über das erste magnetische Moment dominieren.
Weiterhin kann bei Raumtemperatur das zweite magnetische Moment ungefähr zwei Mal so groß sein wie das erste magnetische Moment.
Bei einer hohen Temperatur können das erste magnetische Moment und das zweite magnetische Moment ausgeglichen sein, was in einer Abwesenheit eines magnetischen Offset-Feldes der Freie-Schichtstruktur resultiert.
Die erste magnetische Schicht kann hergestellt sein aus Kobalt-Eisen-Bor und die anti-ferromagnetische Schicht kann hergestellt sein aus Ruthenium.
Die erste magnetische Schicht kann eine Schichtdicke von ungefähr 25 Angström aufweisen.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle kann zum Schreiben ein Magnetfeld angelegt werden, welches eine Referenzschichtstruktur der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle in einer von zwei möglichen Richtungen parallel zu einer von mehreren möglichen Achsen polarisiert, so dass Information in die Referenzschichtstruktur gespeichert wird.
Gemäß dem Verfahren kann die Speicherzelle geheizt werden mittels Anlegens eines Heizstroms.
Das Magnetfeld kann von einem Feldstrom erzeugt werden, welcher durch mindestens eine der mehr als eine Feldelektrode geführt wird.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Magnetfeld erzeugt wird von einem Feldstrom durch eine Bitleitungselektrode oder durch eine Wortleitungselektrode der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Magnetfeld erzeugt wird von einem Feldstrom, welcher geführt wird durch eine Bitleitungselektrode und durch eine Wortleitungselektrode der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle vorgesehen, wobei zum Lesen ein Magnetfeld angelegt wird, welches eine Freie-Schichtstruktur der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle polarisiert parallel zu jeder von mehr als einer Achse und zum Ermitteln eines jeweiligen Tunnel-Magneto-Widerstand-zustands.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle zum Lesen vorgesehen, wobei ein Magnetfeld angelegt wird, welches eine Freie-Schichtstruktur der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle polarisiert parallel zu einer Achse von mehr als einer möglichen Achse und es wird ein Achsen-ausgerichteter Tunnel-Magneto-Widerstand-Zustand ermittelt. Solange der Achsen-ausgerichtete Tunnel-Magneto-Widerstand-Zustand weder einen logischen „0"-Zustand noch einen logischen „1"-Zustand repräsentiert, wird ein Magnetfeld angelegt, welches die Freie-Schichtstruktur parallel zu einer anderen Achse der mehr als einen möglichen Achsen polarisiert und es wird der jeweilige Achsen-ausgerichtete Tunnel-Magneto-Widerstand-Zustand ermittelt.
Das Magnetfeld kann erzeugt werden von einem Feldstrom, welcher durch mindestens eine der mindestens zwei Feldelektroden fließt.
Das Magnetfeld kann ferner erzeugt werden von einem Feldstrom, welcher durch eine Bitleitungselektrode und/oder durch eine Wortleitungselektrode der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle fließt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle zum Auslesen bereitgestellt, bei dem ein Feldstrom durch eine Bitleitungselektrode gepulst wird, bei dem ein erster Lesestrom durch die magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gepulst wird zum Ermitteln eines ersten Achsen-ausgerichteten Tunnel-Magneto-Widerstands-Zustands, bei dem ein Feldstrom durch eine Wortleitungselektrode gepulst wird, und bei dem ein zweiter Lesestrom durch die magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle zum Ermitteln eines zweiten Achsen-ausgerichteten Tunnel-Magneto-Widerstand-Zustands gepulst wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Pulsen eines Feldstroms durch eine Wortleitungselektrode und das Pulsen eines zweiten Lesenstroms durch die magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle zumindest teilweise überlappend.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 eine herkömmliche MRAM-Zellenstruktur gemäß dem Stand der Technik;
2 eine MRAM-Zellenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein Verfahren zum Auslesen von Information gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine MRAM-Zellenstruktur gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Aus Gründen der Klarheit werden, soweit sinnvoll, für gleiche oder ähnliche Elemente in allen Figuren identische Bezugszeichen verwendet.
2 zeigt eine MRAM-Zellenstruktur 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die beispielhafte MRAM-Zellenstruktur 200 weist eine Freie-Schichtstruktur 202 auf, eine Referenzschichtstruktur 204 und eine Barriere- Schichtstruktur 206, welche zwischen der Freie-Schichtstruktur 202 und der Referenzschichtstruktur 204 angeordnet ist. Gegenüber der Barriere-Schichtstruktur 206 ist die Freie-Schichtstruktur 202 mit einer oberen Abdeckschicht 201 gekoppelt und die Referenzschichtstruktur 204 ist gekoppelt mit einer unteren Abdeckschicht 209 mittels einer Keimschicht 208. Eine obere Elektrode, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch als Bitleitungselektrode 110a bezeichnet wird, ist mit der oberen Abdeckschicht 201 gekoppelt und eine untere Elektrode, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch als Wortleitungselektrode 110 bezeichnet wird, ist neben der unteren Abdeckschicht 209 angeordnet.
Es wird ein Strompfad zwischen der Bitleitungselektrode 110a bereitgestellt durch die obere Abdeckschicht 201, die Freie-Schichtstruktur 202, die Barriere-Schichtstruktur 206, die Referenzschichtstruktur 204, die Keimschicht 208, und die untere Abdeckschichtstruktur 209. Der Strompfad ist beispielsweise eingerichtet zum Leiten eines Lesestroms mittels eines Schaltertransistors, welcher mit der unteren Abdeckschicht 209 verbunden ist, zum Ermitteln des Zustands der MRAM-Zelle 200.
Die Freie-Schichtstruktur 202 kann gebildet werden von einer Schicht oder von mehreren Schichten, welche zusammen eine magnetische Polarisation aufweisen, welche bei Existenz eines Magnetfeldes verändert werden kann. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Freie-Schichtstruktur 202 aus einer „freien" magnetischen Schicht 2020, welche hergestellt ist aus beispielsweise Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB), Kobalt-Eisen-Nickel (CoFeNi), Nickel-Eisen (NiFe) oder Kobalt-Eisen-Bor-Silizium-Molybdän (CoFeBSiMo). In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die freie magnetische Schicht 2020 eine Schichtdicke von ungefähr 15 Angström bis ungefähr 25 Angström auf. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die „freie" magnetische Schicht 2020 hergestellt aus CoFeB mit einem Bor-Gehalt von 5 % bis 30 %, beispielsweise mit einem Bor-Gehalt von ungefähr 8 %.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Freie-Schichtstruktur 202 eingerichtet derart, dass sie eine sehr niedrige Aktivierungsenergie aufweist, d.h. die Freie-Schichtstruktur 202 weist eine niedrige magnetische Koerzitivkraft auf und ihre magnetische Polarisation kann schon bei der Präsenz eines schwachen Magnetfeldes verändert werden (Aktivierungsenergie Ea ~ zu 1/2 μ₀M_s ² π/4abc² (1/b – 1/a) ~ 20 kb T; a = Länge, b = Weite, c = Dicke der freien Schicht, Ms = Sättigungsmagnetisierung, μ₀ = magnetische Feldkonstante, kb = Boltzmannkonstante). Ferner ist in einem spezifischen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Freie-Schichtstruktur 202 eingerichtet als ein rundes Element (oder als ein Element mit einem niedrigen Aspektverhältnis = Länge/Weite < 1,5) und weist eine leichte Achsenrichtung (Easy Axis) auf. In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die leichte Achsenrichtung definiert nur durch eine einachsige Anisotropie, welche bereitgestellt wird von einem Material, beispielsweise von Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die leichte Achsenrichtung ausgerichtet parallel zu einem Magnetfeld, welches von einem Feldstrom erzeugt wird, welcher durch die Bitleitungselektrode 110a fließt. Bidirektionale Feldstrom-Treiber sind eingerichtet zum Treiben des Feldstroms in beide Richtungen durch die Bitleitungselektrode 110a und durch die Wortleitungselektrode 110b, womit eine Polarisation der Freie-Schichtstruktur 202 in beiden Richtungen parallel zu einer jeweiligen Achse erhältlich ist, wobei die Achse senkrecht zu der Richtung des Feldstroms ist, d.h. senkrecht zu der longitudinalen Erstreckung der Bitleitungselektrode 110a.
In dem dargestellten spezifischen Ausführungsbeispiel weist die Bitleitungselektrode 110a eine longitudinale Ebene in die Zeichnung hinein und aus der Zeichnung heraus, wobei die Wortleitungselektrode 110b eine longitudinale Ebene aufweist in der Zeichnungsebene, obwohl andere Orientierungen in alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden können.
Die Referenzschichtstruktur 204 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung repräsentiert die Schichtstruktur, in welcher Information gespeichert wird. Die Referenzschichtstruktur 204 kann gebildet werden von einer Schicht oder von mehreren Schichten, welche zusammen eine magnetische Polarisation aufweisen, welche bei Existenz eines Magnetfeldes verändert werden kann. Verglichen mit der Freie-Schichtstruktur 202 weist die Referenzschichtstruktur 204 eine höhere magnetische Koerzitivkraft auf.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Referenzschichtstruktur 204 eingerichtet derart, dass sie eine temperaturabhängige Koerzitivkraft aufweist, was eine Basis darstellt zum thermisch-unterstützten Programmieren. Zu diesem Zweck ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung die Referenzschichtstruktur 204 gebildet aus einer Referenz-Magnetschicht 2041 und einer anti-ferromagnetischen Schicht 2042, welche mit der Referenz-Magnetschicht 2041 gekoppelt ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Referenz-Magnetschicht 2041 hergestellt aus Kobalt-Eisen (CoFe) oder Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB) oder aus einer Doppelschicht aufweisend Nickel-Eisen/Kobalt-Eisen-Bor (NiFe/CoFeB), und die anti-ferromagnetische Schicht 2042 ist hergestellt aus Iridium-Mangan (IrMn), Eisen-Mangan (FeMn), Nickel-Mangan (NiMn) oder Platin-Mangan (PtMn).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Referenz-Magnetschicht 2041 eine Schichtdicke in einem Bereich von ungefähr 10 Angström bis ungefähr 25 Angström auf und die anti-ferromagnetische Schicht 2042 weist eine Schichtdicke von ungefähr 20 Angström bis ungefähr 150 Angström auf.
Die Referenzschichtstruktur 204, welche eine anti-ferromagnetische Schicht 2042 aufweist, zeigt einerseits eine hohe magnetische Koerzitivkraft auf, wenn der Anti-Ferromagnet aktiv ist, d.h. bei einer Temperatur unterhalb seiner Blockiertemperatur, beispielsweise bei Raumtemperatur. Andererseits zeigt die Referenzschichtstruktur 204 eine relativ niedrige Koerzitivkraft, wenn der Anti-Ferromagnet inaktiv ist, d.h. bei einer Temperatur beispielsweise oberhalb seiner Blockiertemperatur. Dieser beeinflussende Effekt eines Anti-Ferromagneten auf einen Ferromagneten wird manchmal auch als „Pinning" (Festlegen) bezeichnet. Für thermisch-unterstütztes Programmieren muss die anti-ferromagnetische Schicht 2042 zunächst erhitzt werden, bevor ein Magnetfeld die Polarisation einer befestigten magnetischen Schicht ändern kann, welche in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielsweise die Referenz-Magnetschicht 2041 ist. Das Erhitzen kann bewirkt werden mittels eines Schreibstroms, welcher durch die Barriere-Schichtstruktur 206 geführt wird, mittels einer zusätzlichen Heizschicht, einem anderen Heizmittel oder einer Kombination derselben.
Die Barriere-Schichtstruktur 206 ist zwischen der Freie-Schichtstruktur 202 und der Referenzschichtstruktur 204 angeordnet, d.h. in dem zuvor im Detail beschriebenen Ausführungsbeispiel zwischen der freien magnetischen Schicht 2020 und der Referenz-Magnetschicht 2041. Die Barriere-Schichtstruktur 206 ist ein magnetischer Tunnelübergang (MTJ) der MRAM-Zelle 200. Die Barriere-Schichtstruktur 206 kann eine Vielzahl von Schichten aufweisen und einen oder mehrere magnetische Tunnelübergänge (MTJ). In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Barriere-Schichtstruktur 206 auf oder besteht aus einer nicht- magnetischen Barriereschicht 2260, wodurch in einem Ausführungsbeispiel die Barriereschicht 2060 hergestellt ist aus Magnesiumoxid (MgO) und in einem bestimmten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Barriereschicht 2060 eine Schichtdicke in einem Bereich von ungefähr 5 Angström bis ungefähr 12 Angström auf.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Keimschicht 208 bereitgestellt, auf welcher die anti-ferromagnetische Schicht 2042 angeordnet ist. Die Keimschicht 208 ist hergestellt aus einem kristallinen ferromagnetischen Material, welches ein gutes Wachstum während des Herstellens und damit eine gute Struktur des anti-ferromagnetischen Materials bewirkt, was seinerseits zu einer hohen Pinning-Fähigkeit der anti-ferromagnetischen Schicht 2042 führt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Keimschicht 208 hergestellt aus Nickel-Eisen (NiFe) und weist eine Schichtdicke auf in einem Bereich von ungefähr 10 Angström bis ungefähr 30 Angström.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine obere Abdeckschicht 201 auf einem Schichtenstapel gebildet, beispielsweise auf der Freie-Schichtstruktur 202, zum Schützen der magnetischen Materialien vor einer Einwirkung der Umgebung. Demgemäß ist eine untere Abdeckschicht 209 auf der Unterseite des Schichtenstapels vorgesehen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die untere Abdeckschicht 209 unter der existierenden Keimschicht 208 gebildet werden, oder die Keimschicht 208 kann auf der existierenden unteren Abdeckschicht 209 gebildet werden. Zusätzlich zu dem Zwecke des Schützens des Schichtenstapels kann die obere Abdeckschicht 201 verwendet werden zum elektrischen Kontaktieren mit einer Verdrahtung in einer oberen Ebene, beispielsweise der Bitleitungselektrode 110a, und die untere Abdeckschicht 209 kann verwendet werden zum Bereitstellen eines elektrischen Kontakts mit einer Verdrahtung in einer unteren Ebene, beispielsweise mit einem Lesestrom-Schaltertransistor.
Beide Abdeckschichten 201, 209 sind typischerweise gebildet aus einem leitfähigen Material wie beispielsweise Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Titan (Ti) oder Titannitrid (TiN). In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die obere Abdeckschicht 201 hergestellt aus Tantalnitrid (TaN) und weist eine Schichtdicke von ungefähr 100 Angström auf. Die untere Abdeckschicht 209 kann beispielsweise eine Doppelschicht sein, gebildet von einer Tantalnitrid(TaN)-Schicht mit einer Schichtdicke von ungefähr 100 Angström und einer Tantal(Ta)-Schicht mit einer Schichtdicke von ungefähr 20 Angström.
Ein Fachmann wird erkennen, dass die Reihenfolge des Schichtenstapels umgekehrt werden kann, d.h., die Referenzschichtstruktur 204 kann oben auf dem Schichtenstapel angeordnet sein und die Freie-Schichtstruktur 202 kann unterhalb der Barriere-Schichtstruktur 206 angeordnet sein. In diesem Fall ist auf der Referenzschicht eine Keimschicht (eine Keimschicht wird üblicherweise bereitgestellt unterhalb des Anti-Ferromagneten zum Bereitstellen der korrekten Struktur des Wachstums des Anti-Ferromagneten).
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Bitleitungselektrode 110a eine longitudinale Ebene in die Zeichnung hinein und aus der Zeichnung heraus, und die Wortleitungselektrode 110b weist eine longitudinale Ebene in der Zeichnungsebene auf, obwohl andere Orientierungen insbesondere diejenigen, welche um einen 90 Grad-Winkel zwischen den Elektroden und Orientierungen mit zusätzlichen Elektroden können in alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden.
Unter einem Programmieren einer MRAM-Zellenstruktur wird ein Schreiben von Information in die MRAM-Zellenstruktur verstanden. Wie zuvor erläutert worden ist, wird bei einer MRAM-Zellenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Information in der Referenzschichtstruktur 204 gespeichert. Information wird repräsentiert mittels der Achse und der Ausrichtung der Achse der Referenzschichtstruktur, wenn diese polarisiert ist. Beispielsweise können mit zwei verfügbaren Achsen zwei Bits gespeichert werden, und mit vier verfügbaren Achsen können drei Bits gespeichert werden. Im Allgemeinen kann eine Anzahl benötigter Achsen zum Speichern von n Bits berechnet werden gemäß der Formel: a = 2n-1.
Polarisationsachsen können bereitgestellt werden von Magnetfeldern, welche erzeugt werden von Feldströmen, welche durch Feldelektroden fließen, beispielsweise durch die Bitleitungselektrode 110a und die Wortleitungselektrode 110, wobei jedoch die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht darauf beschränkt sind.
Obwohl in alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung ein Magnetfeld als ein Ergebnis von mehr als einem erzeugten Magnetfeld genommen werden kann, d.h. wenn mindestens zwei Elektroden gleichzeitig ihr eigenes Magnetfeld erzeugen, und die Achse des resultierenden Magnetfelds kann ferner angepasst werden mittels der Leistung der angelegten Feldströme, wobei jedoch im Nachfolgenden zur einfacheren Erläuterung nur das Erzeugen eines Magnetfeldes angenommen wird mittels nur einer Elektrode zu einer Zeit, wenn dies nicht speziell anders beschrieben ist.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die verfügbaren Elektroden beschränkt auf die Bitleitungselektrode 110a und die Wortleitungselektrode 110b und mit der zuvor genannten Einschränkung sind nur 2 Achsen für die Polarisation verfügbar. Ein Feldstrom durch die Bitleitungselektrode 110a erzeugt ein Magnetfeld mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zu der Bitleitungselektrode 110a und ein Feldstrom durch die Wortleitungselektrode 110b erzeugt ein Magnetfeld mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zu der Wortleitungselektrode 110b. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei angenommen werden kann, dass die longitudinale Erstreckung der Bitleitungselektrode 110a senkrecht zu der der Wortleitungselektrode 110b ist, erzeugt die Bitleitungselektrode 110a eine Polarisationsachse parallel zu der longitudinalen Erstreckung der Wortleitungselektrode 110b und umgekehrt.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Programmieren von Permutationen von zwei Bits, welche sind „00", „01", „10", „11", eingerichtet sein in einer Weise, dass eine erste Ziffer die Achse, beispielsweise „Ox" für die Polarisationsachse, welche von einem Bitleitungsfeld erzeugt wird, auswählt, und eine zweite Ziffer die Polarisationsrichtung auswählt, d.h. die Richtung des Zellstroms, welches durch eine Elektrode geführt wird.
Das zum Programmieren erzeugte Magnetfeld sollte ausreichend stark sein zum Verändern der Polarisation der Referenzschichtstruktur 204 einer ausgewählten MRAM-Zelle. Bei einer Zellenstruktur zum thermisch-unterstützten Programmieren kann das Auswählen durchgeführt werden mittels Heizens der ausgewählten Zelle über die Blockiertemperatur der anti-ferromagnetischen Schicht 2042, welche an der Referenz-Magnetschicht 2041 angebracht ist. Alternative Ausführungsformen, bei welcher ein thermisch-unterstütztes Programmieren nicht vorgesehen ist, können eine zusätzliche Auswählelektrode verwenden, wobei ihr Magnetfeld das vorgesehene Magnetfeld an der Kreuzungsstelle, an der die Zelle angeordnet ist, unterstützt.
Da die Freie-Schichtstruktur 202 eine MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine niedrige magnetische Koerzitivkraft aufweist, wird ein zum Programmieren angelegtes Magnetfeld auch die Polarisation der Freie-Schichtstruktur 202 verändern, was jedoch kein Problem darstellt. Jedoch muss das Magnetfeld der Freie-Schichtstruktur 202 überwunden werden von der Feldstärke des Magnetfeldes, welches von einer Elektrode, beispielsweise der Bitleitungselektrode 110a, erzeugt wird.
3 zeigt ein Verfahren zum Auslesen von Information gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Verfahren betrifft eine beispielhafte Ausführungsform einer MRAM-Zelle gemäß der Ausführungsform, wie sie in 2 dargestellt ist. Eine Folge von drei Schritten zum Auslesen zusammen mit möglichen Polarisationsrichtungen FreeL, RefL der Freie-Schichtstruktur 202 und der Referenzschichtstruktur 204 sowie eine beispielhafte Bit-Konfiguration „Bits" ist jeweils dargestellt, die aus einer gegebenen Polarisationskonstellation ermittelbar ist.
Für eine Leseoperation verbleibt die Polarisation der Referenzschichtstruktur 204 stabil, weshalb keine Heizung oder ein anderes Auswahlmittel, welches zur Programmierung verwendet werden kann, zu irgendeiner Zeit aktiv ist. Eine beispielhafte Leseoperation startet, als ein erster Schritt, mit einem Erzeugen eines Magnetfeldes, welches die Freie-Schichtstruktur 202 in eine definierte Richtung polarisiert. Dies kann durchgeführt werden mittels Pulsens eines Feldstroms einer bekannten Richtung durch eine nächstliegende Elektrode, welche in dem Ausführungsbeispiel die Bitleitungselektrode 110a ist. Mit einer Freie-Schichtstruktur 202, welche eine Anisotropie parallel zu dem Magnetfeld ist, welches von der Elektrode erzeugt worden ist, ist sichergestellt, dass die Freie-Schichtstruktur 202 in ihrer leichten Achsenrichtung verbleiben wird, beispielsweise mindestens für eine kurze Zeitdauer (< 100 ns), selbst wenn das Magnetfeld der Elektrode verschwindet.
Nachdem der Feldstrom ausgeschaltet ist, wird in einem zweiten Schritt ein Lesestrom durch den Schichtenstapel angelegt mittels Aktivierens des Lese-Schaltertransistors. Abhängig von der magnetischen Polarisation der Referenzschichtstruktur 204 bezogen auf die Freie-Schichtstruktur 202 können drei unterschiedliche Spannungsdifferenzen, d.h. Magneto-Widerstände, gemessen werden. Ein niedriger Widerstand RL bedeutet, dass die Polarisation von beiden Schichtstrukturen dieselbe Achse und dieselbe Richtung aufweisen, was in dem Ausführungsbeispiel eine gespeicherte Information mit zwei Bits „00" repräsentieren kann. Ein hoher Widerstand RH bedeutet im Gegensatz dazu, dass die Polarisation beider Schichtstrukturen dieselbe Achse aber entgegen gesetzte Richtungen haben können, was in dem Ausführungsbeispiel eine gespeicherte Information mit zwei Bits „01" repräsentieren kann. Wenn ein gemessener Widerstand Rm zwischen dem niedrigen Widerstandswert und dem hohen Widerstandswert liegt, kann keine Aussage hinsichtlich der gespeicherten Information getroffen werden.
In einem dritten Schritt wird ein Feldstrom in einer definierten Richtung durch eine andere Elektrode gepulst, welche in dem Ausführungsbeispiel die Wortleitungselektrode 110b ist. Das von der Wortleitungselektrode 110b erzeugte Magnetfeld verändert die Polarisation der Freie-Schichtstruktur 202 in eine Achse, welche in einem Ausführungsbeispiel senkrecht zu der Achse ist, welche in dem ersten Schritt erzeugt worden ist.
Da die Wortleitungselektrode 110b zum Lesen nicht verwendet wird, kann das Erzeugen des Magnetfeldes und das Auslesen gleichzeitig durchgeführt werden, was die Zugriffszeit reduziert und in einem Ausführungsbeispiel mit einer Freie-Schichtstruktur 202 mit einer niedrigen magnetischen Koerzitivkraft und/oder einer leichten Achsenrichtung, welche abweicht von der Achse des erzeugten Magnetfeldes, kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass die Polarisation der freien Schicht während des Lesens nicht verändert wird.
Analog zu dem zweiten Schritt bedeutet ein niedriger Widerstand RL, dass die Polarisation beider Schichtstrukturen dieselbe Achse und dieselbe Richtung aufweisen, was in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine gespeicherte Information mit zwei Bits „10" repräsentieren kann. Ein großer Widerstand RH im Gegensatz dazu bedeutet, dass die Polarisation beider Schichtstrukturen dieselbe Achse aber entgegen gesetzte Richtungen aufweisen, was in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine gespeicherte Information mit zwei Bits „11" repräsentieren kann. Wenn ein gemessener Widerstand Rm zwischen dem niedrigen Widerstandswert und dem hohen Widerstandswert gemessen wird, kann keine Aussage bezüglich der gespeicherten Information getroffen werden.
In einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann eine Leseoperation hinsichtlich einer reduzierten durchschnittlichen Zugriffszeit optimiert werden, indem die Leseoperation an dem Ende des zweiten Schrittes gestoppt wird, wenn in dem zweiten Schritt eine definierte Information, beispielsweise entweder „00" oder „01", ermittelt worden ist. In dem Ausführungsbeispiel kann eine Lese-Zugriffszeitdauer wie folgt berechnet werden. Der erste Schritt wird ungefähr 6 ns dauern, der zweite Schritt wird ungefähr 10 ns dauern und der dritte Schritt wird ungefähr weitere 10 ns dauern. Für den Datentransfer sind zusätzliche 10 ns anzunehmen, was in 36 ns für insgesamt 2 Bits resultiert. Ohne den dritten Schritt wären es 26 ns und unter der Annahme, dass in 50 % aller Leseoperation der dritte Schritt weggelassen werden kann, ergibt sich eine durchschnittliche Lese-Zugriffszeit pro Bit von 15,5 ns verglichen mit 18 ns mit einem konstanten dritten Schritt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung können diejenigen Widerstände Rm, welche zwischen dem niedrigen Widerstand RL und dem hohen Widerstand RH liegen, verwendet werden zum Verifizieren eines korrekten Betriebs der MRAM-Zelle und ihrer entsprechenden Treiber, weshalb ein konstanter dritter Schritt in einer Leseoperation erforderlich wäre.
4 zeigt eine MRAM-Zellenstruktur gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Diese MRAM-Zellenstruktur wird auch als erweiterte MRAM-Zellenstruktur 400 bezeichnet und sie unterscheidet sich von der MRAM-Zellenstruktur aus 2 nur in dem Aufbau der Freie-Schichtstruktur 202 und der Referenz-Magnetschicht 2041 der Referenzschichtstruktur 204. Deshalb ist die Beschreibung aller anderen Merkmale der beispielhaften MRAM-Zellenstruktur aus 2 ebenso anwendbar auf dieselben Merkmale der erweiterten MRAM-Zellenstruktur 400. Diese Merkmale behalten ebenso ihre Bezugszeichen. Die Beschreibung der erweiterten MRAM-Zellenstruktur 400 ist ferner zu verstehen auch unter Bezugnahme auf 3 und ihre Beschreibung ist, ebenfalls mit nur wenigen geringen Abweichungen, welche im Folgenden erläutert werden, anwendbar auf die erweiterte MRAM-Zellenstruktur 400.
Die erweiterte MRAM-Zellenstruktur 400 weist einen künstlichen Anti-Ferromagneten AAF anstelle einer einzelnen freien magnetischen Schicht 2020 (siehe 2) in der Freie-Schichtstruktur 202 auf und einen künstlichen Anti-Ferromagneten AAF anstelle einer einzelnen Referenz-Magnetschicht 2041 (siehe 2) in der Referenzschichtstruktur 204. Ein künstlicher Anti-Ferromagnet AAF weist mindestens ein Paar von magnetischen Schichten auf, welche sich in entgegen gesetzte Richtungen polarisieren, was auch als anti-parallel bezeichnet wird, und welche gekoppelt sind mittels einer anti-ferromagnetischen Schicht, üblicherweise hergestellt aus Ruthenium (Ru), welche zwischen denselben angeordnet ist. Künstliche Anti-Ferromagneten AAF stellen bekannterweise ein geschlossenes Fluss-Schaltverhalten bereit, was die relativ hohen Entmagnetisierungsfelder vermeidet, welche in Kauf genommen werden beim Schalten einer einzelnen magnetischen Schicht.
In dem Ausführungsbeispiel weist die Freie-Schichtstruktur 202 eine „freie" magnetische Schicht 4023 auf der Barriere-Schichtstruktur 206 auf, eine nicht-magnetische Kopplungsschicht 4022 auf der freien magnetischen Schicht 4023 und als eine korrespondierende Schicht zu der freien magnetischen Schicht 4023 eine „freie" weiche Schicht 4021 auf der nicht-magnetischen Kopplungsschicht 4022 auf. In einem spezifischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die freie magnetische Schicht 4023 hergestellt aus Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB) und weist eine Schichtdicke auf von ungefähr 15 Angström bis ungefähr 25 Angström. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die „freie" weiche Schicht 4021 hergestellt aus beispielsweise Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB), Kobalt-Eisen-Nickel (CoFeNi), Nickel-Eisen (NiFe) oder Kobalt-Eisen-Bor-Silizium-Molybdän (CoFeBSiMo). In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die „freie" weiche Schicht 4021 einen Schichtdicke in einem Bereich von ungefähr 15 Angström bis ungefähr 25 Angström auf. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die „freie" weiche Schicht 4021 hergestellt aus CoFeB mit einem Bor-Gehalt von 5 % bis 30 %, beispielsweise mit einem Bor-Gehalt von ungefähr 8 %.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die freie magnetische Schicht 4023 hergestellt aus einem niedrig-T_c(niedrige Curie-Temperatur)-Material wie beispielsweise CoFeSiBMo oder CoFeV oder CoFeCr.
In analoger Weise weist der künstliche Anti-Ferromagnet AAF der Referenzschichtstruktur 204 eine Referenz-Magnetschicht 4041 unterhalb der Barriere-Schichtstruktur 206 auf, eine nicht-magnetische Kopplungsschicht 4042 unter der Referenz-Magnetschicht 4041 und als eine korrespondierende Schicht zu der Referenz-Magnetschicht 4041 eine weiche Referenzschicht 4043 unter der Referenz-anti-ferromagnetischen Schicht 4042. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Referenz-Magnetschicht 4041 hergestellt aus Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB) und weist eine Schichtdicke von ungefähr 18 Angström auf. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die weiche Referenzschicht 4043 hergestellt aus einem niedrig-T_c(niedrige Curie-Temperatur)-Material hergestellt wie beispielsweise CoFeSiBMo, CoFeV oder CoFeCr.
Zusätzlich zu den schon beschriebenen Vorteilen eines niedrigen Entmagnetisierungsfeldes erlaubt ein künstlicher Anti-Ferromagnet AAF eine spezifische Einstellung seines magnetischen Moments mittels Auswählens des Materials und der Schichtdicke des Paares von magnetischen Schichten in Relation zueinander. Außerdem verwendet das Ausführungsbeispiel der Erfindung ein zusätzliches Anpassungsmittel, welches gesehen werden kann in einem Anpassen des Magnetfeldes abhängig von der Temperatur.
In der nachfolgenden Beschreibung können die Ausführungsbeispiele auch die erläuterten Lagen der Freie-Schichtstruktur 202, beispielsweise die leichte Achsenrichtung, wobei die leichte Achsenrichtung entweder nur definiert sein kann durch die einachsige Anisotropie CoFeB oder mittels einer zusätzlichen kleinen Formanisotropie (Aspektverhältnis der Zelle < 1,5) und einer Anisotropie parallel zu dem Feld, welches erzeugt wird von der Bitleitungselektrode 110a.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der die Freie-Schichtstruktur 202 bildende künstliche Anti-Ferromagnet AAF ein wenig unausgeglichen bei Raumtemperatur, so dass er ein kleines Offset-Feld aufweist, das ein niedriges Schaltfeld für eine Leseoperation benötigt. Beispielsweise kann dies erreicht werden mittels Auswählens einer freien weichen Schicht 4021 mit ungefähr zwei mal soviel magnetischem Moment bei Raumtemperatur als das magnetische Moment der freien magnetischen Schicht 4023 hergestellt aus CoFeB. Bei einer hohen Temperatur sollte der die Freie-Schichtstruktur 202 bildende künstliche Anti-Ferromagnet AAF ausgeglichen sein, so dass er kein Offset-Feld während des Programmierens erzeugt, welches ansonsten überwunden werden müsste.
In einem spezifischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der künstliche Anti-Ferromagnet AAF der Referenzschichtstruktur 204 bei Raumtemperatur ausgeglichen, so dass sie bei einer Leseoperation kein Offset-Feld aufweist. Dies kann eingestellt werden beispielsweise mittels Auswählens einer weichen Referenzschicht 4043, welche ungefähr das gleiche magnetische Moment bei Raumtemperatur aufweist wie die Referenzmagnetschicht 4041 hergestellt aus CoFeB. Bei einer hohen Temperatur, d.h. beim Programmieren, ist das magnetische Moment der Referenz-Magnetschicht 4041, hergestellt aus CoFeB, größer.
Bei auf oben beschriebener Weise eingerichteten künstlichen Anti-Ferromagneten AAF sind die Magnetfelder, die zum Programmieren, die bei Programmieroperationen und Leseoperationen angelegt werden müssen, niedriger, was in einem reduzierten Bedarf von Feldströmen resultiert.

Claims

Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle, – mit einer freien Schichtstruktur und einer Referenzschichtstruktur, welche eine anti-ferromagnetische Schichtstruktur zum Festlegen der magnetischen Ausrichtung der Referenzschichtstruktur aufweist, – wobei die Referenzschichtstruktur eine höhere magnetische Koerzitivkraft aufweist und magnetisch polarisierbar ist bidirektional und parallel zu mehr als einer Achse mittels eines Magnetfeldes, welches angelegt wird während einer Schreiboperation, so dass Information in der Referenzschichtstruktur gespeichert wird während des Erhitzens der anti-ferromagnetischen Schichtstruktur über ihre Blockiertemperatur.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle, – mit einer Referenzschichtstruktur, welche eine anti-ferromagnetische Schichtstruktur zum Festlegen der magnetischen Ausrichtung der Referenzschichtstruktur aufweist, – mit einer freien Schichtstruktur, und – mit einer nicht-magnetischen Tunnelbarriere-Schichtstruktur, welche zwischen der Referenzschichtstruktur und der freien Schichtstruktur angeordnet ist, – wobei die Referenzschichtstruktur eine höhere magnetische Koerzitivkraft aufweist als die Freie-Schichtstruktur und wobei die Referenzschichtstruktur magnetisch polarisierbar ist bidirektional und parallel zu zwei unterschiedlichen Achsen mittels eines Magnetfeldes, welches angelegt wird während einer Schreiboperation, so dass Information in die Referenzschichtstruktur gespeichert wird während des Erhitzens der anti- ferromagnetischen Schichtstruktur über ihre Blockiertemperatur.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 2, mit einer Wortleitungselektrode und einer Bitleitungselektrode zum Erzeugen des Magnetfeldes.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 3, wobei die Freie-Schichtstruktur eine leichte Achsenrichtung aufweist parallel zu dem Magnetfeld, welches von mindestens einer der Elektroden erzeugt wird.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 3, wobei die Bitleitungselektrode elektrisch mit der Speicherzelle gekoppelt ist und die Freie-Schichtstruktur eine leichte Achsenrichtung aufweist, welche parallel ist zu dem Magnetfeld, welches erzeugt wird von der Bitleitungselektrode.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Freie-Schichtstruktur eine Kobalt-Eisen-Bor-Schicht ist mit einer einachsigen Anisotropie, welche die leichte Achsenrichtung definiert.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Freie-Schichtstruktur eine Kobalt-Eisen-Bor-Schicht aufweist mit einer Schichtdicke von ungefähr 15 Angström bis ungefähr 25 Angström.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die anti-ferromagnetische Schichtstruktur eine Iridium-Mangan-Schicht oder eine Eisen-Mangan-Schicht ist.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicher gemäß Anspruch 8, wobei die Iridium-Mangan-Schicht oder die Eisen-Mangan-Schicht eine Schichtdicke aufweist von ungefähr 20 Angström bis ungefähr 150 Angström.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die ferromagnetische Schichtstruktur eine Kobalt-Eisen-Schicht oder eine Kobalt-Eisen-Bor-Schicht ist.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 10, wobei die Kobalt-Eisen-Schicht oder die Kobalt-Eisen-Bor-Schicht eine Schichtdicke von ungefähr 18 Angström aufweist.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Heizstromquelle zum Bereitstellen eines Heizstroms für die magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle zum Heizen der anti-ferromagnetischen Schicht.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle, – mit einer Referenzschichtstruktur, welche eine anti-ferromagnetische Schichtstruktur aufweist zum Festlegen der magnetischen Ausrichtung der Referenzschichtstruktur, – mit einer freien Schichtstruktur, und – mit einer nicht-magnetischen Tunnelbarriere-Schichtstruktur, welche zwischen der Referenzschichtstruktur und der freien Schichtstruktur angeordnet ist, – wobei die Referenzschichtstruktur eine höhere magnetische Koerzitivkraft aufweist als die Freie-Schichtstruktur und wobei die Referenzschichtstruktur magnetisch polarisierbar ist bidirektional und parallel zu einem Magnetfeld, welches erzeugt wird von einer Bitleitungselektrode und parallel zu einem Magnetfeld, welches erzeugt wird von einer Wortleitungselektrode während einer Schreiboperation, so dass Information in der Referenzschichtstruktur gespeichert wird während des Erhitzens der anti-ferromagnetischen Schichtstruktur über ihre Blockiertemperatur.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 13, – wobei die Bitleitungselektrode elektrisch mit der Speicherzelle gekoppelt ist, und – wobei die Freie-Schichtstruktur eine leichte Achsenrichtung aufweist parallel zu dem Magnetfeld, welches von der Bitleitungselektrode erzeugt wird.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die anti-ferromagnetische Schichtstruktur eine künstliche anti-ferromagnetische Schichtstruktur ist.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 15, wobei die künstliche anti-ferromagnetische Schichtstruktur aufweist: – eine erste magnetische Schicht, welche ein erstes magnetisches Moment aufweist, – eine zweite magnetische Schicht, welche ein zweites magnetisches Moment, und – eine anti-ferromagnetische Schicht, welche zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht angeordnet ist, wobei die erste magnetische Schicht im Kontakt mit der nicht-magnetischen Tunnelbarriere-Schichtstruktur ist.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 16, – wobei bei Raumtemperatur das erste magnetische Moment und das zweite magnetische Moment ausgeglichen sind, resultierend in einer Abwesenheit eines magnetischen Offset-Feldes der künstlichen anti-ferromagnetischen Schichtstruktur, – wobei bei einer hohen Temperatur das erste magnetische Moment über das zweite magnetische Moment dominiert.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei die erste magnetische Schicht hergestellt ist aus Kobalt-Eisen-Bor und die anti-ferromagnetische Schicht hergestellt ist aus Ruthenium.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 18, wobei die erste magnetische Schicht eine Schichtdicke von ungefähr 18 Angström aufweist.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die anti-ferromagnetische Schichtstruktur eine Eisen-Mangan-Schicht aufweist.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 20, wobei die Eisen-Mangan-Schicht eine Schichtdicke von ungefähr 120 Angström aufweist.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei die Freie-Schichtstruktur eine künstliche anti-ferromagnetische Schichtstruktur aufweist.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 22, wobei die künstliche anti-ferromagnetische Schichtstruktur aufweist: – eine erste magnetische Schicht, welche ein erstes magnetisches Moment aufweist, – eine zweite magnetische Schicht, welche ein zweites magnetisches Moment aufweist, und – eine anti-ferromagnetische Schicht, welche zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht angeordnet ist, wobei die erste magnetische Schicht in Kontakt ist mit der nicht-magnetischen Tunnelbarriere-Schichtstruktur.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 23, wobei bei Raumtemperatur das zweite magnetische Moment über das erste magnetische Moment dominiert.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 24, wobei bei Raumtemperatur das zweite magnetische Moment ungefähr zwei Mal so groß ist wie das erste magnetische Moment.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß Anspruch 24 oder 25, wobei bei einer hohen Temperatur das erste magnetische Moment und das zweite magnetische Moment ausgeglichen sind, resultierend in einer Abwesenheit eines magnetischen Offset-Feldes der freien Schichtstruktur.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei die erste magnetische Schicht hergestellt ist aus Kobalt-Eisen-Bor und die anti-ferromagnetische Schicht hergestellt ist aus Ruthenium.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei die erste magnetische Schicht eine Schichtdicke von ungefähr 25 Angström aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle zum Schreiben, bei dem ein Magnetfeld angelegt wird zum Polarisieren einer Referenzschichtstruktur der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle in einer von zwei möglichen Richtungen parallel zu einer von mehreren möglichen Achsen, so dass Information in der Referenzschichtstruktur gespeichert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 29, bei dem die Speicherzelle erhitzt wird mittels Anlegens eines Heizstroms.
Verfahren gemäß Anspruch 29 oder 30, wobei das Magnetfeld erzeugt wird mittels eines Feldstroms, der durch mindestens eine von mehreren Feldelektroden fließt.
Verfahren gemäß Anspruch 31, wobei das Magnetfeld erzeugt wird mittels eines Feldstroms, der durch eine Bitleitungselektrode und/oder durch eine Wortleitungselektrode der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle fließt.
Verfahren zum Betreiben einer magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle zum Lesen, wobei ein Magnetfeld angelegt wird zum Polarisieren einer freien Schichtstruktur der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle parallel zu jedem der mehreren Achsen und zum Ermitteln eines jeweiligen Tunnel-Magneto-Widerstand-Zustands.
Verfahren zum Betreiben einer magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle zum Lesen, – wobei ein Magnetfeld angelegt wird zum Polarisieren einer freien Schichtstruktur der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle parallel zu einer Achse von mehreren möglichen Achsen und zum Ermitteln eines Achsen-ausgerichteten Tunnel-Magneto-Widerstand-Zustand, – wobei solange der Achsen-ausgerichtete Tunnel-Magneto-Widerstand-Zustand weder einen logischen „0"-Zustand noch einen logischen „0"-Zustand repräsentiert, ein Magnetfeld angelegt wird zum Polarisieren der freien Schichtstruktur parallel zu einer anderen Achse der mehreren möglichen Achsen und zum Ermitteln des jeweiligen Achsen-ausgerichteten Tunnel-Magneto-Widerstand-Zustands.
Verfahren gemäß Anspruch 34, wobei das Magnetfeld erzeugt wird von einem Feldstrom, der durch mindestens eine der Feldelektroden fließt.
Verfahren gemäß Anspruch 35, wobei das Magnetfeld erzeugt wird mittels eines Feldstroms, der durch eine Bitleitungselektrode und/oder durch eine Wortleitungselektrode der magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle fließt.
Verfahren zum Betreiben einer magnetischen Vielfachzugriffsspeicherzelle zum Lesen, – wobei ein Feldstrom durch eine Bitleitungselektrode gepulst wird, – wobei ein erster Lesestrom durch die magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle zum Ermitteln eines Achsen-ausgerichteten Tunnel-Magneto-Widerstand-Zustands gepulst wird, – wobei ein Feldstrom durch eine Wortleitungselektrode gepulst wird, und – wobei ein zweiter Lesestrom durch die magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle zum Ermitteln eines zweiten Achsen-Tunnel-Magneto-Widerstand-Zustands gepulst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 37, wobei sich das Pulsen eines Feldstroms durch eine Wortleitungselektrode und das Pulsen eines zweiten Lesestroms durch die magnetische Vielfachzugriffsspeicherzelle zumindest teilweise überlappen.