DE102007028246A1

DE102007028246A1 - Magnetoresistive Speicherzelle, Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle und Verfahren zum Auslesen einer magnetoresistiven Speicherzelle

Info

Publication number: DE102007028246A1
Application number: DE102007028246A
Authority: DE
Inventors: Rok Dr. Dittrich; Ulrich Dr. Klostermann
Original assignee: Qimonda AG; Altis Semiconductor SNC
Current assignee: Infineon Technologies AG; Altis Semiconductor SNC
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: US7903452B2; DE102007028246B4; US20070297219A1

Abstract

Eine magnetoresistive Speicherzelle weist einen Magnetstapel auf, welcher ein effektives Anisotropie-Feld einer Speicherschicht des Magnetstapels während eines thermisch-ausgewählten Heizens bereitstellt, und mindestens eine Leitung, welche mindestens ein externes Magnetfeld dem Magnetstapel bereitstellt, wobei das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetoresistive Speicherzelle, ein Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle und ein Verfahren zum Auslesen einer magnetoresistiven Speicherzelle.
Eine herkömmlich verwendete magnetoresistive Speicherzelle basiert auf dem Tunnel-Magneto-Widerstand-Effekt (Tunneling Magneto Resistance Effect, TMR). In diesem Fall gibt es einen magnetischen Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) in jeder Speicherzelle. Der MTJ kann in dem einfachsten Fall eine Metall/Isolator/Metall-Struktur mit ferromagnetischen Elektroden sein. Der elektrische Tunnelwiderstand hängt ab von der relativen Ausrichtung des Magnetisierungsvektors der ferromagnetischen Elektroden. Wenn die Magnetisierungsvektoren parallel zueinander sind, dann ist der Tunnelwiderstand klein. Wenn die Magnetisierungsvektoren anti-parallel zueinander sind, dann ist der Tunnelwiderstand größer.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Speicherkapazität einer magnetoresistiven Speicherzelle erhöht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine magnetoresistive Speicherzelle bereitgestellt mit einem Magnetstapel, welcher ein effektives anisotropes Feld einer Speicherschicht des Magnetstapels während eines thermisch-ausgewählten Heizens bereitstellt. Ferner ist mindestens eine Leitung vorgesehen zum Bereitstellen von mindestens einem externen Magnetfeld für den Magnetstapel. Das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld bilden einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander aus.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das effektive Anisotropie-Feld parallel zu der leichten Achsenrichtung (Easy Axis) des Magnetstapels.
Das effektive Anisotropie-Feld kann ein Form-Anisotropie-Feld sein.
Weiterhin kann das effektive Anisotropie-Feld ein Intrinsische-Anisotropie-Feld sein.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Magnetstapel und die mindestens eine Leitung derart relativ zueinander angeordnet, dass das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden.
Die mindestens eine Leitung kann ferner dem Magnetstapel einen Heizstrom bereitstellen.
Der Magnetstapel ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein magnetischer Tunnelübergang-Stapel.
Der Magnetstapel kann eine erste ferromagnetische Schicht aufweisen, eine Isolationsschicht, die auf oder über der ersten ferromagnetischen Schicht angeordnet ist sowie eine zweite ferromagnetische Schicht, welche auf oder über der Isolationsschicht angeordnet ist.
Der Magnetstapel kann entlang seiner leichten Achsenrichtung in einem Nicht-Null-Winkel relativ zu der mindestens einen Leitung angeordnet sein.
Der Nicht-Null-Winkel zwischen dem Form-Anisotropie-Feld und dem mindestens einen externen Magnetfeld kann einen Wert aufweisen in einem Bereich von ungefähr 5° bis ungefähr 175°, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 15° bis ungefähr 85°.
Die mindestens eine Leitung kann genau eine Feldleitung sein, welche das externe Magnetfeld erzeugt.
Weiterhin kann die mindestens eine Leitung aus einem Metall hergestellt sein.
Der Heizstrom und das mindestens eine externe Magnetfeld können mittels eines elektrischen Stroms bereitgestellt werden.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine magnetoresistive Speicherzellenanordnung bereitgestellt mit mindestens einer magnetoresistiven Speicherzelle. Die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle weist einen Magnetstapel auf, welcher ein effektives Anisotropie-Feld einer Speicherschicht des Magnetstapels während des thermisch-ausgewählten Heizens bereitstellt. Weiterhin weist die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle mindestens eine Leitung auf zum Bereitstellen von mindestens einem externen Magnetfeld zu dem Magnetstapel. Das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld weisen einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander auf. Weiterhin weist die magnetoresistive Speicherzellenanordnung eine Steuerung auf zum Programmieren der magnetoresistiven Speicherzelle.
Das effektive Anisotropie-Feld kann parallel zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels angeordnet sein.
Das effektive Anisotropie-Feld kann ein Form-Anisotropie-Feld sein und/oder ein intrinsische-Anisotropie-Feld.
Der Magnetstapel und die mindestens eine Leitung können relativ zueinander derart angeordnet sein, dass das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden.
Die mindestens eine Leitung kann ferner im Magnetstapel einen Heizstrom bereitstellen.
Die Steuerung kann derart eingerichtet sein, dass ein erster Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird mittels Ausführens eines ersten Programmierprozesses, wobei der erste Programmierprozess gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist ein Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur aufheizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird in dem ersten Programmierprozess das externe Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld größer ist als eine erste Schaltschwelle, die benötigt wird, um die Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung zu schalten. Weiterhin wird das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert. Nach dem Reduzieren des externen Magnetfeldes unter die erste Schaltschwelle wird der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet, dass ein zweiter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein zweiter Programmierprozess ausgeführt wird. Der zweite Programmierprozess kann aufweisen ein Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die größer ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird das externe Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld größer ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist, um die Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung zu schalten. Weiterhin wird der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert, und, nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, wird das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert.
Die Steuerung kann derart eingerichtet sein, dass ein dritter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird mittels Ausführens eines dritten Programmierprozesses. Der dritte Programmierprozess weist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf ein Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird das externe Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. Ferner wird der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert und, nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, wird das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet, dass ein vierter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein vierter Programmierprozess ausgeführt wird. Der vierte Programmierprozess weist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf ein Anlegen des Heizstroms an dem Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird das externe Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. Weiterhin wird das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert und, nachdem das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert worden ist, wird der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle bereitgestellt, bei dem ein Heizstrom an den Magnetstapel angelegt wird, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird ein externes Magnetfeld an den Magnetstapel derart angelegt, dass ein effektives Anisotropie-Feld einer Speicherschicht des Magnetstapels während eines thermisch-ausgewählten Heizens bereitgestellt wird, wobei das effektive Anisotropie-Feld und das externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden. Ferner werden der Heizstrom und das externe Magnetfeld zu unterschiedlichen Zeitpunkten reduziert, womit die magnetoresistive Speicherzelle unter Verwendung des effektiven Anisotropie-Feldes und des externen Magnetfeldes programmiert wird.
Das effektive Anisotropie-Feld kann parallel ausgerichtet sein zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels.
Gemäß dem Verfahren kann ein Programmieren eines ersten Programmierzustands in die magnetoresistive Speicherzelle durchgeführt werden, indem ein erster Programmierprozess ausgeführt wird. Gemäß dem ersten Programmierprozess kann der Heizstrom an den Magnetstapel angelegt werden, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Weiterhin kann das externe Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt werden, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung. Das externe Magnetfeld kann unter die erste Schaltschwelle reduziert werden und, nachdem das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert worden ist, kann der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert werden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, einen zweiten Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle zu programmieren, indem ein zweiter Programmierprozess ausgeführt wird. Gemäß dem zweiten Programmierprozess kann der Heizstrom an den Magnetstapel angelegt werden, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner kann das externe Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt werden, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung. Der Heizstrom wird unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert und, nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, wird das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verfahren ein Programmieren eines dritten Programmierzustandes in die magnetoresistive Speicherzelle aufweist, indem ein dritter Programmierprozess durchgeführt wird. Gemäß dem dritten Programmierprozess wird der Heizstrom an den Magnetstapel angelegt, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird das externe Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. Der Heizstrom wird unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert und, nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, wird das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ein Programmieren eines vierten Programmierzustands in die magnetoresistive Speicherzelle auf, indem ein vierter Programmierprozess durchgeführt wird. Gemäß dem vierten Programmierprozess wird der Heizstrom an den Magnetstapel angelegt, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird das externe Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. Weiterhin wird das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert und, nachdem das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert worden ist, wird der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Lesen einer magnetoresistiven Speicherzelle vorgesehen, bei dem ein erster Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird, bei dem ein Heizstrom und ein externes Magnetfeld an einem Magnetstapel der magnetoresistiven Speicherzelle angelegt werden, wobei ein vordefinierter Referenzzustand programmiert wird. Weiterhin wird ein zweiter Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle, welche sich in dem Referenzzustand befindet, gemessen und es wird der Programmierzustand gemäß dem ersten Widerstandswert ermittelt, indem der erste Widerstandswert mit dem zweiten Widerstandswert verglichen wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es ferner vorgesehen, den Programmierzustand gemäß dem ersten Widerstandswert in die magnetoresistive Speicherzelle zu programmieren.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Lesen einer magnetoresistiven Speicherzelle vorgesehen, bei dem ein erster Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird und bei dem ein Heizstrom angelegt wird, womit eine Relaxation der Magnetisierungsrichtung des Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in mindestens eine Referenzrichtung ermöglicht wird. Weiterhin wird ein zweiter Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen, wenn die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in der Referenzrichtung ist und es wird der Programmierzustand gemäß dem ersten Widerstandswert ermittelt, indem der erste Widerstandswert mit dem zweiten Widerstandswert verglichen wird.
Ferner wird gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens der Programmierzustand gemäß dem ersten Widerstandswert in die magnetoresistive Speicherzelle einprogrammiert.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Referenzrichtung parallel zu oder anti-parallel zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Lesen einer magnetoresistiven Speicherzelle bereitgestellt, bei dem ein erster Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird und bei dem ein Magnetfeld angelegt wird, womit die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in mindestens eine Referenzrichtung eingeprägt wird. Weiterhin wird ein zweiter Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen, wenn die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in der Referenzrichtung ist. Ferner wird der Programmierzustand gemäß dem ersten Widerstandswert ermittelt, indem der erste Widerstandswert und der zweite Widerstandswert miteinander verglichen werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es gemäß dem Verfahren vorgesehen, den Programmierzustand gemäß dem ersten Widerstandswert in die magnetoresistive Speicherzelle zu programmieren.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Referenzrichtung parallel zu oder anti-parallel zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine magnetoresistive Speicherzelle vorgesehen, welche Mittel aufweist zum Bereitstellen eines Form-Anisotropie-Feldes parallel zu der leichten Achsenrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle. Ferner sind Mittel vorgesehen zum Bereitstellen mindestens eines externen Magnetfeldes zu dem Magnetstapel. Die Mittel zum Bereitstellen eines Form-Anisotropie-Feldes und die Mittel zum Bereitstellen von mindestens einem externen Magnetfeld sind relativ zueinander derart angeordnet, dass das Form-Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Speicherzellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine MRAM-Zelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine MRAM-Zelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4A bis 4C das Prinzip einer thermisch-ausgewählten Multi-Level MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 ein Widerstandsdiagramm, in dem die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands eines Widerstands von der Magnetisierungsausrichtung der Speicherschicht hinsichtlich einer Referenz-Magnetisierungausrichtung dargestellt ist;
6 ein gemessenes Widerstandsdiagramm, in dem die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands eines Widerstands von einem angelegten externen Magnetfeld dargestellt ist;
7 eine Draufsicht auf eine MRAM-Zelle aus 2;
8 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Magnetisierungsausrichtung der Speicherschicht von der Richtung eines angelegten externen Feldes für eine MRAM-Zelle dargestellt ist;
9 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
10 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des ersten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
11 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des zweiten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
12 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des dritten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
13 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des vierten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
14 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des ersten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
15 ein Zeitdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des ersten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
16 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des zweiten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
17 ein Zeitdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des zweiten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
18 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des dritten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
19 ein Zeitdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des dritten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
20 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des vierten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
21 ein Zeitdiagramm, in dem ein Prozess zum Programmieren des dritten Magnetisierungszustands in die MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
22 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Lese-Prozess zum Lesen des Zustands einer MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
23 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Lese-Prozess zum Lesen des Zustands einer MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist; und
24 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Lese-Prozess zum Lesen des Zustands einer MRAM-Zelle gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
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.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das effektive Anisotropie-Feld parallel zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist unter dem effektiven Anisotropie-Feld beispielsweise das Anisotropie-Feld zu verstehen, das in einer Speicherschicht des Magnetstapels erzeugt wird, wenn sie erhitzt wird, beispielsweise über die Blockiertemperatur von mindestens einem Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das effektive Anisotropie-Feld ein Form-Anisotropie-Feld und/oder ein Intrinsische-Anisotropie-Feld, d.h. ein Anisotropie-Feld, das abhängig ist von den Materialien des Magnetstapels, beispielsweise abhängig von dem/den Material(ien) der Speicherschicht des Magnetstapels inklusive der Wachstumsbedingungen des Materials bzw. der Materialien der Speicherschicht des Magnetstapels. Ferner kann jede beliebige Art von Anisotropie-Feld in alternativen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, beispielsweise Form-Anisotropie-Felder oder Intrinsische-Anisotropie-Felder höherer Ordnung wie beispielsweise kubische Anisotropie-Felder.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Magnetstapel und die mindestens eine Leitung relativ zueinander derart angeordnet, dass das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel (anders ausgedrückt einen Winkel ungleich Null) relativ zueinander bilden.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt die mindestens eine Leitung dem Magnetstapel einen Heizstrom und mindestens ein externes Magnetfeld bereit.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Magnetstapel ein magnetischer Tunnelübergang-Stapel. Jedoch kann jede andere Art von Magnetstapel verwendet werden in einer magnetoresistiven Speicherzelle gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Magnetstapel eine erste ferromagnetische Schicht auf, eine Isolationsschicht, auf oder über der ersten ferromagnetischen Schicht, sowie eine zweite ferromagnetische Schicht, angeordnet auf oder über der Isolationsschicht.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Magnetstapel entlang seiner leichten Achsenrichtung in einem Nicht-Null-Winkel relativ zu der mindestens einen Leitung angeordnet. Ein Magnetstapel, welcher eine längliche Struktur mit einem Aspektverhältnis ungleich „1" aufweist, stellt üblicherweise eine Form-Anisotropie bereit und somit ein magnetisches Form-Anisotropie-Feld. In dem Fall, dass der Magnetstapel eine längliche Struktur aufweist derart, dass er sich in einer ersten Hauptrichtung (beispielsweise der Länge des Magnetstapels) mehr erstreckt und weniger in einer zweiten Hauptrichtung (beispielsweise der Breite des Magnetstapels) und damit beispielsweise eine Ellipsenstruktur aufweist, wird ein Form-Anisotropie-Feld bereitgestellt. Beispielsweise wird die erste Hauptrichtung auch als die leichte Achsenrichtung (Easy Axis) des Magnetstapels bezeichnet. Unter der leichten Achsenrichtung kann die energetisch favorisierte Richtung der spontanen Magnetisierung in einem ferromagnetischen Material verstanden werden. Die zweite Hauptrichtung, die senkrecht zu der ersten Hauptrichtung sein kann, wird auch als die harte Achsenrichtung (Hard Axis) des Magnetstapels bezeichnet. Unter der harten Achsenrichtung kann die energetisch weniger favorisierte Richtung der spontanen Magnetisierung in einem ferromagnetischen Material verglichen mit der leichten Achsenrichtung verstanden werden. Das bereitgestellte magnetische Form-Anisotropie-Feld wird üblicherweise bereitgestellt entlang der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels. Es ist anzumerken, dass in einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Magnetstapel mit einem Aspektverhältnis gleich „1" verwendet werden kann, wenn beispielsweise die intrinsische Anisotropie verwendet wird zum Bereitstellen des effektiven Anisotropie-Feldes.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Nicht-Null-Winkel zwischen dem Form-Anisotropie-Feld und dem mindestens einen externen Magnetfeld einen Wert in einem Bereich von ungefähr 5° bis ungefähr 175° auf, beispielsweise einen Wert in einem Bereich von ungefähr 15° bis ungefähr 85°. Im Allgemeinen kann der Nicht-Null-Winkel jeder beliebige Winkel sein, der eine zweite Vektorkomponente zusätzlich zu der Vektorkomponente bereitstellt, welche bereitgestellt wird von dem externen Magnetfeld, um die benötigten zwei Freiheitsgrade bereitzustellen, um die Magnetisierungsausrichtung des Magnetstapels einzustellen, genauer, einer Speicherschicht des Magnetstapels, welche in ihrer Magnetisierungsausrichtung während des Heizens nicht festgelegt ist, in einer großen Vielzahl unterschiedlicher gewünschter Positionen, d.h. in einer großen Vielzahl von unterschiedlichen gewünschten Winkeln.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das effektive Anisotropie-Feld (beispielsweise das Form-Anisotropie-Feld und/oder das Intrinsische-Anisotropie-Feld) (intrinsische Zelleneigenschaften, parallel zu der leichten Achsenrichtung) kombiniert mit dem extern erzeugten Feld, beispielsweise erzeugt von einer Leitung, wobei die Leitung eine Metallleitung sein kann. Die zwei Felder haben einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander, was eine Multi-Level-Zustands-Auswahl ermöglicht. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Auswählen der unterschiedlichen Zustände gesteuert mittels unterschiedlicher Timing-Sequenzen des Heizstroms und des bipolaren Feldstroms, welche im Folgenden näher erläutert werden. Beispielsweise wird die resultierende Magnetisierungsrichtung entlang der leichten Achsenrichtung ausgerichtet, wenn die Zelle von dem Feld geschaltet wird und das Heizen ausgeschaltet wird nach dem Anlegen des Feldpulses. Alternativ resultiert die Magnetisierungsrichtung in einer außerhalb der leichten Achsenrichtung liegenden Richtung, wenn der Heizstrom ausgeschaltet wird, während der Feldpuls noch vorhanden ist. Mit diesem Verfahren können mindestens vier Zustände oder mehr eingestellt werden mit einer einzelnen Feld-Metallleitung, womit es ermöglicht wird, mindestens zwei Informationsbits in eine magnetoresistive Speicherzelle zu speichern.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die mindestens eine Leitung genau eine Feldleitung sein, welche verwendet werden kann zum Erzeugen des externen Magnetfeldes. In anderen Worten ermöglicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung den Verzicht auf eine Metallleitung in der Architektur der Speicherzelle zum Programmieren der Zellen. Jedoch ist anzumerken, dass in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung eine Mehrzahl von Leitungen ebenfalls vorgesehen sein kann, welche gemeinsam das externe Magnetfeld zum Programmieren der Magnetisierungsausrichtung der Speicherzelle erzeugen.
Ferner kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Mehrzahl von Bitleitungen vorgesehen sein, beispielsweise eine erste Bitleitung zum Erzeugen des externen Magnetfeldes und eine zweite Bitleitung zum elektrischen Kontaktieren des Magnetstapels.
Die mindestens eine Leitung kann hergestellt sein aus einem Metall wie beispielsweise aus Kupfer, Aluminium und dergleichen.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden der Heizstrom und das mindestens eine externe Magnetfeld bereitgestellt mittels einer elektrischen Stromquelle, welche in den Heizstrom und den Strom, welcher das mindestens eine externe Magnetfeld erzeugt, aufgeteilt werden kann.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Speicherzellenanordnung bereitgestellt mit einem Magnetstapel, welcher ein effektives Anisotropie-Feld einer Speicherschicht des Magnetstapels während eines thermisch-ausgewählten Heizens bereitstellt, wobei das effektive Anisotropie-Feld parallel zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels ist, wobei mindestens eine Leitung vorgesehen ist, welche mindestens ein externes Magnetfeld zu dem Magnetstapel bereitstellt, wobei das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden. Ferner weist die Speicherzellenanordnung eine Steuerung auf zum Programmieren der magnetoresistiven Speicherzelle.
Das effektive Anisotropie-Feld kann ein Form-Anisotropie-Feld und/oder ein Intrinsische-Anisotropie-Feld sein.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Magnetstapel und die mindestens eine Leitung derart relativ zueinander angeordnet, dass das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden.
Die mindestens eine Leitung kann ferner dem Magnetstapel einen Heizstrom bereitstellen.
Weiterhin kann die Steuerung eingerichtet sein derart, dass ein erster Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein erster Programmierprozess durchgeführt wird. Gemäß dem ersten Programmierprozess kann der Heizstrom an den Magnetstapel angelegt werden, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner kann das externe Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt werden, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung. Das externe Magnetfeld wird unter die erste Schaltschwelle reduziert und, nachdem das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert worden ist, wird der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet, dass ein zweiter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein zweiter Programmierprozess durchgeführt wird. Gemäß dem zweiten Programmierprozess wird der Heizstrom an den Magnetstapel angelegt, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, welche höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird das externe Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung. Weiterhin wird der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert und, nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, wird das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet, dass ein dritter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein dritter Programmierprozess ausgeführt wird. Gemäß dem dritten Programmierprozess wird ein Heizstrom an den Magnetstapel angelegt, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti- Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird ein externes Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. Der Heizstrom wird unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert und, nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, wird das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuerung derart eingerichtet, dass ein vierter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein vierter Programmierprozess ausgeführt wird. Gemäß dem vierten Programmierprozess wird ein Heizstrom an den Magnetstapel angelegt, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird ein externes Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. Ferner wird das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert und, nachdem das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert worden ist, wird der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert.
Der mindestens eine geheizte Anti-Ferromagnet kann der Anti-Ferromagnet sein, der der Speicherschicht, beispielsweise der freien Schicht, des Magnetstapels zum Festlegen (Pinnen) der Magnetisierungsrichtung der Speicherschicht zugeordnet ist.
Das Reduzieren des externen Magnetfeldes unter ein Schwellenfeld (beispielsweise die erste Schaltschwelle oder die zweite Schaltschwelle) ist derart zu verstehen, dass es enthalten kann das Reduzieren des externen Magnetfeldes unter das Schwellenfeld, wobei noch weiterhin ein schwaches externes Magnetfeld bereitgestellt werden kann, es kann aber auch das Ausschalten des externen Magnetfeldes enthalten.
Das Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels ist derart zu verstehen, dass es enthalten kann das Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur, wobei noch weiterhin ein schwacher Heizstrom bereitgestellt werden kann, aber es kann auch das Ausschalten des Heizstroms enthalten. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann sogar ein negativer Heizstrom bereitgestellt werden. Anders ausgedrückt kann das Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels bedeuten, dass der Heizstrom derart reduziert wird, dass die Heizwirkung des Heizstroms derart gering ist, dass der Anti-Ferromagnet des Magnetstapels unter seine Blockiertemperatur abkühlen kann.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzellen bereitgestellt, bei dem ein Heizstrom und ein externes Magnetfeld an einem Magnetstapel angelegt werden derart, dass ein effektives Anisotropie-Feld einer Speicherschicht des Magnetstapels während eines thermisch-ausgewählten Heizens gebildet wird, wobei das effektive Anisotropie-Feld, welches parallel ist zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels, und das externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden. Der Heizstrom und das externe Magnetfeld werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgeschaltet, womit die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird unter Verwendung des effektiven Anisotropie-Feldes und des externen Magnetfeldes.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf ein Programmieren eines ersten Programmierzustands in die magnetoresistive Speicherzelle mittels Ausführens eines ersten Programmierprozesses. Der erste Programmierprozess weist auf ein Anlegen eines Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird ein externes Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung. Das externe Magnetfeld wird unter die erste Schaltschwelle reduziert und, nachdem das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert worden ist, wird der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Programmieren eines zweiten Programmierzustands in die magnetoresistive Speicherzelle auf, indem ein zweiter Programmierprozess durchgeführt wird. Gemäß dem zweiten Programmierprozess wird ein Heizstrom an den Magnetstapel angelegt, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird ein externes Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung. Der Heizstrom wird unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert und, nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, wird das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf ein Programmieren eines dritten Programmierzustands in die magnetoresistive Speicherzelle, indem ein dritter Programmierprozess durchgeführt wird. Gemäß dem dritten Programmierprozess wird ein Heizstrom an den Magnetstapel angelegt, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird ein externes Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsrichtung. Der Heizstrom wird unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert und, nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, wird das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Programmieren eines vierten Programmierzustands in die magnetoresistive Speicherzelle auf, indem ein vierter Programmierprozess durchgeführt wird. Gemäß dem vierten Programmierprozess wird ein Heizstrom an den Magnetstapel angelegt, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird ein externes Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. Das externe Magnetfeld wird unter die zweite Schaltstelle reduziert und, nachdem das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltstelle reduziert worden ist, wird der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Lesen einer magnetoresistiven Speicherzelle bereitgestellt, bei dem ein erster Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird. Ferner wird ein Heizstrom an den Magnetstapel angelegt, wobei der Heizstrom einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels. Ferner wird ein zweiter Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen, wenn sie sich in dem Referenzzustand befindet. Weiterhin wird der Programmierzustand gemäß dem ersten Widerstandswert ermittelt, indem der erste Widerstandswert mit dem zweiten Widerstandswert verglichen wird.
Das Verfahren kann ferner ein Programmieren des Programmierzustands gemäß dem ersten Widerstandswert in die magnetoresistive Speicherzelle aufweisen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Lesen einer magnetoresistiven Speicherzelle bereitgestellt, bei dem ein erster Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird und ein Heizstrom angelegt wird, wobei eine Relaxation der Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in mindestens einer Referenzrichtung ermöglicht wird. Weiterhin wird ein zweiter Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen, wenn die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in der Referenzrichtung ist. Der Programmierzustand gemäß dem ersten Widerstandswert wird ermittelt, indem der erste Widerstandswert und der zweite Widerstandswert miteinander verglichen werden.
Das Verfahren kann ferner enthalten ein Programmieren des Programmierzustands gemäß dem ersten Widerstandswert in die magnetoresistive Speicherzelle.
Die Referenzrichtung kann parallel oder anti-parallel zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels sein.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Lesen einer magnetoresistiven Speicherzelle bereitgestellt, bei dem ein erster Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird und ein Magnetfeld angelegt wird, womit die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in mindestens einer Referenzrichtung eingeprägt wird. Ein zweiter Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle wird gemessen, wenn die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in der Referenzrichtung ist. Der Programmierzustand gemäß dem ersten Widerstandswert wird ermittelt, indem der erste Widerstandswert mit dem zweiten Widerstandswert verglichen wird.
Es ist anzumerken, dass der zweite Widerstandswert gemessen wird während einer Zeitdauer, in welcher das externe Magnetfeld angeschaltet ist oder ausgeschaltet ist, abhängig davon, ob oder ob nicht die Speicherschicht des Magnetstapels eine ausreichend große Rotations-Hysterese aufweist.
Das Verfahren kann ferner aufweisen ein Programmieren des Programmierzustands gemäß dem ersten Widerstandswert in die magnetoresistive Speicherzelle.
Die Referenzrichtung kann parallel zu oder anti-parallel zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels sein.
1 zeigt eine Speicherzellenanordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Speicherzellenanordnung 100 weist eine Steuerung 102 auf, ein Speicherzellenfeld 104, beispielsweise ein Speicherzellenarray, und eine Energieversorgung 108. Das Speicherzellenfeld 104 weist eine Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen (MRAM-Zellen) auf, welche Daten in der Magnetisierungsrichtung einer oder mehrerer Speicherschichten einer jeweiligen MRAM-Zelle speichern. Die MRAM-Zellen können in dem Speicherzellenfeld 104 in Zeilen und Spalten oder in jeder beliebigen anderen Architektur, wie beispielsweise einer Zick-Zack-Architektur angeordnet sein. Die MRAM-Zellen sind miteinander sowie mit der Steuerung 102 verbunden mittels erster Steuerleitungen 106 wie beispielsweise Bitleitungen oder Wortleitungen, wie im Folgenden noch näher erläutert wird. Die Steuerung 102 steuert die Prozesse des Lesens von Daten aus den MRAM-Speicherzellen und die Prozesse des Speicherns von Daten in die MRAM-Speicherzellen. Um dies zu tun ist die Steuerung 102 mit einer Energieversorgung 108 verbunden (mittels zweiter Steuerleitungen 110), welche Versorgungsspannungen an die Steuerung 102 (mittels erster Spannungsversorgungsleitungen 112) und an das Speicherzellenfeld 104 (mittels zweiter Spannungsversorgungsleitungen 114) liefern. Die Versorgungsspannungen werden an das Speicherzellenfeld 104 gemäß vorbestimmter Leseprozesse oder vorbestimmter Schreibprozesse (Programmierprozesse) angelegt, welche in der Steuerung 102 implementiert sind. Die vorbestimmten Leseprozesse oder vorbestimmten Schreibprozesse können hartverdrahtet implementiert sein oder sie können implementiert sein unter Verwendung von einem oder mehreren Computerprogrammen, welches oder welche in der Steuerung 102 gespeichert ist oder sind.
2 zeigt eine MRAM-Zelle 200 der Mehrzahl von MRAM-Zellen des Speicherzellenfeldes 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die MRAM-Zelle 200 weist einen MRAM-Zellenstapel 202 auf mit einem magnetoresistiven Stapel ferromagnetischer Schichten und Isolationsschichten wie beispielsweise einem MTJ-Stapel, welcher eine erste ferromagnetische Schicht 204 aufweist, eine Isolationsschicht 206, welche auf oder über der ersten ferromagnetischen Schicht 204 angeordnet ist, und eine zweite ferromagnetische Schicht 208, welche auf oder über der Isolationsschicht 206 angeordnet ist. Es ist anzumerken, dass zusätzliche ferromagnetische Schichten oder zusätzliche Isolationsschichten vorgesehen sein können. Ferner kann in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung eine andere Art von MRAM-Zellenstapel 202 ebenfalls vorgesehen sein. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die erste ferromagnetische Schicht 204 hergestellt sein aus Nickel (Ni), Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) oder Kombinationen derselben (beispielsweise Nickel-Eisen (NiFe), Kobalt-Eisen (CoFe) und Nickel-Eisen-Kobalt (NiFeCo)). Ein Fachmann wird erkennen, dass andere Materialien in alternativen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können.
Ferner ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Anti-Ferromagnet (nicht dargestellt) vorgesehen, und unter der ersten ferromagnetischen Schicht 204 angeordnet oder auf oder über der zweiten ferromagnetischen Schicht 208 angeordnet. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein künstlicher Anti-Ferromagnet zusätzlich oder anstelle des Anti-Ferromagneten vorgesehen sein.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Anti-Ferromagnet gebildet aus einem Material mit einer Blockiertemperatur (T_b), welche niedriger ist als die geplante Schreibmodus-Betriebstemperatur (T_Schreib) der MRAM-Zelle 200. Eine Blockiertemperatur des Materials ist die Temperatur, oberhalb der das Material eine ausreichend niedrige magnetische Koerzitivkraft aufweist, so dass die magnetische Polarisation des Materials bei der Präsenz eines Magnetfeldes neu ausgerichtet werden kann. Der Ausdruck „Schreibmodus-Betriebstemperatur" (T_Schreib) bezieht sich auf die geplante Temperatur, bei der die MRAM-Zelle 200 betrieben wird während einer thermisch-unterstützten Schreiboperation. In einem spezifischen Ausführungsbeispiel liegt der Bereich der Schreibmodus-Betriebstemperatur (T_Schreib) in einem Bereich von ungefähr 150 °C bis ungefähr 300 °C, beispielsweise beträgt TSchreib 250 °C. Beispielhafte Anti-Ferromagnet-Materialien, die eine Blockiertemperatur unterhalb dieser Temperaturen zeigen, sind beispielsweise anti-ferromagnetische Materialien wie beispielsweise Manganlegierungen (beispielsweise Iridium-Mangan (IrMn), Eisen-Mangan (FeMn), Rhodium-Mangan (RhMn), Platin-Mangan (PtMn), Platin-Palladium-Mangan (PtPdMn), Iridium-Mangan-Chrom (IrMnCr), und dergleichen. Ein Fachmann wird erkennen, dass andere Programmiermodus-Betriebstemperaturen und andere Anti-Ferromagnet-Materialien in alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden können.
In einem anderen Beispiel ist die erste ferromagnetische Schicht 204 gebildet aus einem Material, welches eine T_C größer als TSchreib aufweist und die zweite ferromagnetische Schicht 208 ist gebildet aus einem Material, welches eine T_C kleiner als TSchreib aufweist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der MRAM-Zellenstapel 202 einen Stapel aus ferromagnetischen Schichten und anti-ferromagnetischen Schichten auf. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist oder weisen eine Schicht oder beide Schichten 204, 208 des MRAM-Zellenstapels 202 ein ferromagnetisches Subsystem auf wie beispielsweise einen Schichtenstapel enthaltend eine erste ferromagnetische Schicht (FM1)/eine Spacerschicht (beispielsweise hergestellt aus Ruthenium Ru)/eine zweite ferromagnetische Schicht (FM2)/und eine oder mehrere antiferromagnetische Schichten (AFM). Die Curie-Punkt-Temperatur TC FM1 der ersten ferromagnetischen Schicht ist gleich oder unterschiedlich von der Curie-Punkt-Temperatur TC FM2 der zweiten ferromagnetischen Schicht. Die Spacerschicht kann gewählt werden derart, dass sich eine anti-ferromagnetische Kopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten ergibt.
Die MRAM-Zelle 200 vervollständigend ist die Isolationsschicht 206, welche auch als Barriereschicht 206 bezeichnet wird, magnetisch gekoppelt mit der ersten ferromagnetischen Schicht 204, und die freie zweite ferromagnetische Schicht 208 ist gekoppelt mit der Barriereschicht 206. Die Barriereschicht 206 stellt den magnetischen Tunnelübergang bereit, deren elektrischer Widerstand den Logikzustand der MRAM-Zelle 200 bestimmt, wobei der elektrische Widerstand ermittelbar ist aus den relativen Ausrichtungen der magnetischen Felder zwischen der ersten ferromagnetischen Schicht 204 und der zweiten ferromagnetischen Schicht 208. Ausführungsformen der Barriereschicht 206 enthalten Siliziumdioxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Hafniumoxid (HfO₂), Boroxid (B₂O₃), Tantaloxid (Ta₂O₅), Zinkoxid (ZnO₂) und andere Oxide, Nitride oder andere geeignete Dielektrika und dergleichen. Beispielhafte Ausführungsformen der zweiten ferromagnetischen Schicht 208 enthalten Nickel (Ni), Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) oder Kombinationen derselben, und in spezifischen Ausführungsformen enthalten sie Kobalt-Legierungen wie beispielsweise CoFeSiMoB, CoV, CoCr, welche eine T_C unterhalb der TSchreib zeigen.
Abhängig von der Konstruktion der MRAM-Zelle 200 können Verbindungen verwendet werden zum Bereitstellen eines Kontakts mit einer Metall-Bitleitung 210 und einem Auswähl-Transistor 212. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Verbindung 214 eine Leitung, welche parallel zu der Bitleitungen 210 verläuft und die erste ferromagnetische Schicht 204 elektrisch mit einem ersten Source/Drain-Bereich 216 des Auswähl-Transistors 212 verbindet. Ein zweiter Source/Drain-Bereich 218 des Auswähl-Transistors 212 ist mit einem Massepotential oder mit einem anderen Bezugspotential verbunden. Ferner ist ein Gate-Bereich 220 des Auswähl-Transistors 212 verbunden mit einer Steuerleitung 222, mittels welcher der Auswähl-Transistor 212 gesteuert werden kann mittels eines Steuersignals, welches von der Steuerung 102 bereitgestellt wird.
Das MRAM-Zellenfeld 104 kann implementiert sein in einem Array, so dass eine Speichereinrichtung einer beliebigen bestimmten Größe bereitgestellt wird, beispielsweise einer Größe von 1 GB oder mehr an Speicherkapazität.
Der MRAM-Zellenstapel 202 weist in Draufsicht eine ellipsenförmige Struktur auf mit einer leichten Achsenrichtung 224 und einer harten Achsenrichtung 226, womit ein effektives Anisotropie-Feld bereitgestellt wird (beispielsweise ein Form-Anisotropie-Feld und/oder ein Intrinsische-Anisotropie-Feld), welches parallel zu der leichten Achsenrichtung 224 ist. Der MRAM-Zellenstapel 202, welcher eine solche langgestreckte Struktur aufweist, stellt ein Form-Anisotropie-Feld entlang seiner leichten Achsenrichtung 224 bereit. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die leichte Achsenrichtung 224 ausgerichtet zu einer Bitleitungsrichtung 228, mit anderen Worten zu der Flussrichtung des Stroms, welcher durch die Bitleitung 210 fließt, mit einem Winkel φ 230, welcher ungleich Null ("0") ist, beispielsweise mit einem Winkel φ 230, der größer als Null ("0") ist, beispielsweise mit einem Winkel φ 230 in einem Bereich von ungefähr 5° bis ungefähr 175°, beispielsweise mit einem Winkel φ 230 in einem Bereich von ungefähr 15° bis ungefähr 165°, beispielsweise mit einem Winkel φ 230 in einem Bereich von ungefähr 45° bis ungefähr 135°. In anderen Worten stellt der MRAM-Zellenstapel 202 ein Form-Anisotropie-Feld entlang einer ersten Richtung 224 bereit und der Bitleitungsstrom, welcher durch die Bitleitung 210 fließt, stellt ein anderes Magnetfeld bereit, beispielsweise ein externes Magnetfeld entlang einer zweiten Richtung, die unterschiedlich ist von der ersten Richtung. Auf diese Weise ist es möglich, das Form-Anisotropie-Feld als Steuerkomponente zum Einstellen der Magnetisierungsausrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht 208 oder der ersten ferromagnetischen Schicht 204 zu verwenden (abhängig davon, welche Schicht die Speicherschicht ist und welche Schicht als die Referenzschicht dient) in eine große Vielzahl unterschiedlicher gewünschter Winkel. Somit kann eine zweite Metallleitung zum Bereitstellen eines zweiten externen Magnetfeldes zum Einstellen der Magnetisierungsausrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht 208 oder der ersten ferromagnetischen Schicht 204 weggelassen werden. Somit kann ein erheblich einfacheres Zustands-Erzeugungsschema für Multi-Level thermisch-ausgewählt (thermal select, TS) MRAM vorgeschlagen werden, welches eine einzelne Feldleitung (beispielsweise die Bitleitung) verwendet anstelle von zwei gekreuzten Leitungen (beispielsweise die Bitleitung und eine Wortleitung).
Es ist jedoch, wie im Folgenden näher erläutert wird, in einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung möglich, dass eine zweite Metallleitung, wie beispielsweise die Wortleitung, vorgesehen ist.
3 zeigt eine MRAM-Zelle 300 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieselben Bezugszeichen werden verwendet für dieselben oder ähnlichen Elemente der MRAM-Zelle 300 aus 3 und der MRAM-Zelle 200 aus 2. Ferner werden zur Vermeidung von Wiederholungen die Komponenten der MRAM-Zelle 300 aus 3, welche schon erläutert worden sind unter Bezugnahme auf die MRAM-Zelle 200 aus 2, nicht erneut beschreiben. Zusätzlich zu den Komponenten der MRAM-Zelle 200 aus 2 weist die MRAM-Zelle 300 aus 3 eine Wortleitung 302 auf, welche mit der Steuerleitung 222 verbunden ist. Die Wortleitung 302 ist mit der Steuerung 102 verbunden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung können eine oder mehr zusätzliche Bitleitungen vorgesehen sein. In diesem Fall beispielsweise eine erste Bitleitung zum Erzeugen des externen Magnetfeldes und eine zweite Bitleitung zum elektrischen Kontaktieren des Magnetstapels.
4A, 4B und 4C zeigen das Prinzip einer Thermisch-ausgewählt-Multi-Level-MRAM-Zelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können, wie in 4A dargestellt, vier Magnetisierungszustände mit unterschiedlichen Magnetisierungsausrichtungen der ersten ferromagnetischen Schicht 204 oder der zweiten ferromagnetischen Schicht 208 vorgesehen sein. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann jede beliebige Anzahl von Magnetisierungszuständen mit unterschiedlichen Magnetisierungsausrichtungen der ersten ferromagnetischen Schicht 204 oder der zweiten ferromagnetischen Schicht 208 vorgesehen sein, wobei die Anzahl im Wesentlichen beschränkt ist durch die Lesegenauigkeit, d.h. die Genauigkeit, mit der die Zustände voneinander unterschieden werden können während eines Leseprozesses, in welchem der jeweilige Magnetisierungszustand gelesen wird.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein erster Magnetisierungszustand 402 einer ersten Magnetisierungsausrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht 204 oder der zweiten ferromagnetischen Schicht 208 zugeordnet, beispielsweise parallel (d.h. mit einem Winkel α von 0°) zu einer vorbestimmten Referenz-Magnetisierungsausrichtung der verwendeten Referenzzelle oder der verwendeten Referenzzellen (siehe Diagramm 400 in 4A). Der erste Magnetisierungszustand 402 wird in der folgenden Beschreibung auch bezeichnet als Bit „00" oder als Zustand „00".
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein zweiter Magnetisierungszustand 404 einer zweiten Magnetisierungsausrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht 204 oder der zweiten ferromagnetischen Schicht 208 zugeordnet, beispielsweise aufweisend einen Winkel α von ungefähr 70°, beispielsweise aufweisend einen Winkel α in einem Bereich von ungefähr 45° bis ungefähr 90°, beispielsweise aufweisend einen Winkel α in einem Bereich von ungefähr 60° bis ungefähr 75° bezogen auf eine vorbestimmte Referenz-Magnetisierungsausrichtung der verwendeten Referenzzelle oder der verwendeten Referenzzellen. Der zweite Magnetisierungszustand 404 wird in der folgenden Beschreibung auch bezeichnet als Bit „01" oder als Zustand „01".
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein dritter Magnetisierungszustand 406 einer dritten Magnetisierungsausrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht 204 oder der zweiten ferromagnetischen Schicht 208 zugeordnet, beispielsweise aufweisend einen Winkel α von ungefähr 110°, beispielsweise aufweisend einen Winkel α in einem Bereich von ungefähr 90° bis ungefähr 135°, beispielsweise aufweisend einen Winkel α in einem Bereich von ungefähr 100° bis ungefähr 125° zu einer vorbestimmten Referenz-Magnetisierungsausrichtung der verwendeten Referenzzelle oder der verwendeten Referenzzellen. Der dritte Magnetisierungszustand 406 wird in der folgenden Beschreibung auch bezeichnet als Bit „10" oder als Zustand „10".
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein vierter Magnetisierungszustand 408 einer vierten Magnetisierungsausrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht 204 oder der zweiten ferromagnetischen Schicht 208 zugeordnet, beispielsweise anti-parallel (d.h. aufweisend einen Winkel α von ungefähr 180°) zu einer vorbestimmten Referenz-Magnetisierungsausrichtung der verwendeten Referenzzelle oder der verwendeten Referenzzellen. Der vierte Magnetisierungszustand 408 wird in der folgenden Beschreibung auch bezeichnet als Bit „11" oder als Zustand „11".
Bezug nehmend nun auf 4B ist eine Abhängigkeit eines MTJ-Zellensignals 422 von der Winkelrichtung der Magnetisierung 424, in anderen Worten von der Magnetisierungsausrichtung einer Schicht bezüglich einer Referenz-Ausrichtung, in einem MTJ-Zellensignal-Diagramm 420 dargestellt. Eine MTJ-Zellensignal-Kennlinie 426 zeigt ein monoton fallendes MTJ-Zellensignal beginnend von einem maximalen MTJ-Zellensignal (normalisiert 100 %), zugeordnet zu dem ersten Magnetisierungszustand 402, über ein MTJ-Zellensignal von ungefähr 67 %, zugeordnet zu dem zweiten Magnetisierungszustand 404, über ein MTJ-Zellensignal von ungefähr 33 %, zugeordnet zu dem dritten Magnetisierungszustand 406, zu einem minimalen MTJ-Zellensignal von ungefähr 0 %, zugeordnet zu dem vierten Magnetisierungszustand 408.
Bezug nehmend nun auf 4C ist eine Tabelle 440 dargestellt, welche äquidistante Widerstandspegel für zwei Bits mit Bezugnahme auf das MTJ-Zellensignal-Diagramm 420 aus 4B zeigt, mittels welchen zwei Bits gespeichert werden können in einer MRAM-Zelle 200, 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt ein Widerstandsdiagramm 500, in welchem die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands unter Verwendung eines Widerstands mit einem minimalen Widerstand R0 = 1 KΩ darstellt und einen Magneto-Widerstandseffekt von 200 %, von der Magnetisierungsausrichtung der Speicherschicht (beispielsweise der freien Schicht) bezüglich der Referenz-Magnetisierungsausrichtung. In anderen Worten variiert der elektrische Widerstand des ohmschen Widerstands in einem Bereich zwischen 1 KΩ und 3 KΩ abhängig von der Magnetisierungsausrichtung der Speicherschicht. 5 zeigt, dass der elektrische Widerstand des ohmschen Widerstands identisch ist für einen Winkel α der Magnetisierungsausrichtung von ungefähr 70° und ungefähr 290° (d.h. diese Magnetisierungsausrichtungen können voneinander nicht unterschieden werden) wie auch einem Winkel α der Magnetisierungsausrichtung von ungefähr 110° und ungefähr 250° (d.h. diese Magnetisierungsausrichtungen können voneinander nicht unterschieden werden).
6 zeigt ein gemessenes Widerstandsdiagramm 600, welches die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands unter Verwendung eines ohmschen Widerstands mit einem minimalen Widerstand R0 = 200 Ω und einem Magneto-Widerstand(Magneto Resistance, MR)-Effekt von 120 % für eine MRAM-Zelle mit einer Zellengröße von 400 × 670 nm² unter Verwendung einer Vorspann-Spannung zum Heizen der MRAM-Zelle von ungefähr 0,7 V bis ungefähr 1,5 V zeigt abhängig von dem angelegten externen Magnetfeld. In anderen Worten variiert der elektrische Widerstand des ohmschen Widerstands in einem Bereich zwischen 200 Ω und 440 Ω abhängig von dem angelegten externen Magnetfeld.
7 zeigt eine Draufsicht auf die MRAM-Zelle 200 aus 2. Wie in 7 dargestellt ist, weist das angelegte externe Magnetfeld, welches von dem Bitleitungsstrom 702 erzeugt wird, welcher durch die Bitleitung 210 fließt, eine Feldkomponente entlang einer externen Magnetfeldachse 704 auf, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Flussrichtung des Bitleitungsstroms 702 ist. Wie aus 7 ersichtlich ist, spannen die Feldvektorkomponente, welche von dem Form-Anisotropie-Feld entlang der leichten Achsenrichtung 224 bereitgestellt wird, und die Feldvektorkomponente, welche von dem angelegten externen Magnetfeld, erzeugt von dem Bitleitungsstrom 702, bereitgestellt wird, eine Ebene auf parallel zu der Bitleitung 210 und somit parallel zu der Hauptprozessierungsoberfläche der jeweiligen MRAM-Zelle 200, 300, da der Winkel zwischen diesen zwei Feldvektorkomponenten ungleich Null ist. Somit wird es möglich, eine große Vielzahl unterschiedlicher gewünschter Magnetisierungsausrichtungen der jeweiligen MRAM-Zelle 200, 300 einzustellen.
8 zeigt ein Diagramm 800, in welchem die Abhängigkeit der Magnetisierungsrichtung der Speicherelektrode (erste Achse 802 des Diagramms 800), in anderen Worten, der Speicherschicht, beispielsweise einer Permalloy(Py)-Schicht, dargestellt ist von der Richtung eines angelegten externen Feldes (zweite Achse 804 des Diagramms 800) für eine MRAM-Zelle 200, 300. Eine erste Kennlinie 806 zeigt die Abhängigkeit gemäß dem Stoner-Wohlfarth-Modell. Das Diagramm 800 zeigt ferner einen Versatz der externen Feldrichtung und einer Py-Magnetisierungsrichtung für ein Stoner-Wohlfarth-Element mit H_k = 6 kAm^–1 und eine Feldamplitude von H_ext = 5 kAm^–1. Wie in 8 dargestellt ist, bleibt die Py-Elektrode hinter dem Magnetfeld zurück, da die einachsige Anisotropie ein zusätzliches Moment auf Py in Richtung der leichten Achsenrichtung ausübt. Der Fall einer kolinearen Rotation der Py-Speicherschicht in dem Magnetfeld ist gegeben durch φ = β, d.h. keine Form-Anisotropie – freie Rotation von Py.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm 900, in welchem ein Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In 902 wird der Prozess gestartet. In 904 werden ein Heizstrom und ein externes Magnetfeld an einen Magnetstapel derart angelegt, dass ein effektives Anisotropie-Feld, beispielsweise ein Form-Anisotropie-Feld, einer Speicherschicht des Magnetstapels während eines thermisch-ausgewählten Heizens bereitgestellt wird, wobei das effektive Anisotropie-Feld, welches parallel zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels ist, und das externe Magnetfeld relativ zueinander einen Winkel ungleich Null bilden. In 906 werden der Heizstrom und das externe Magnetfeld zu unterschiedlichen Zeitpunkten reduziert, womit die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird unter Verwendung des effektiven Anisotropie-Feldes und des externen Magnetfeldes.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm 1000, in dem ein Verfahren zum Programmieren des ersten Magnetisierungszustands 402 (Zustand „00") in die MRAM-Zelle 200, 300 dargestellt ist.
In 1002 wird der Prozess gestartet. In 1004 wird ein Heizstrom angelegt, womit mindestens ein Anti-Ferromagnet des Magnetstapels der MRAM-Zelle 200, 300 auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher ist als die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten der MRAM-Zelle 200, 300. In 1006 wird ein Magnetfeld an die MRAM-Zelle 200, 300 angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung. Ferner wird in 1008 das externe Magnetfeld reduziert unter die erste Schaltschwelle. Weiterhin wird in 1010 der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten reduziert.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten reduziert werden oder temporär ausgeschaltet werden, sogar bevor das externe Magnetfeld reduziert wird unter die erste Schaltschwelle oder bevor es ausgeschaltet wird. In diesem Fall wird der Heizstrom wieder angeschaltet, so dass die Temperatur des Anti-Ferromagneten, beispielsweise des Anti-Ferromagneten der Speicherschicht, beispielsweise der freien Schicht, des Magnetstapels über ihrer Blockiertemperatur gehalten wird. Diese temporäre Reduktion des Heizstroms kann vorgesehen sein in jeder der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm 1100, in welchem ein Verfahren zum Programmieren des zweiten Magnetisierungszustands 404 (Zustand „01") in die MRAM-Zelle 200, 300 dargestellt ist.
In 1102 wird der Prozess gestartet. In 1104 wird ein Heizstrom angelegt, womit mindestens ein Anti-Ferromagnet des Magnetstapels der MRAM-Zelle 200, 300 auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher ist als die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten der MRAM-Zelle 200, 300. In 1106 wird ein externes Magnetfeld an die MRAM-Zelle 200, 300 angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als die erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in die vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung. Ferner wird in 1108 der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten reduziert, wobei anschaulich die erste Magnetisierungsausrichtung entlang der gesamten effektiven Feldrichtung, welche unterschiedlich ist von der leichten Achsenrichtung, eingefroren wird. Ferner wird in 1110 das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert.
12 zeigt ein Ablaufdiagramm 1200, in dem ein Prozess zum Programmieren des dritten Magnetisierungszustands 406 (Zustand „10") in die MRAM-Zelle 200, 300 dargestellt ist.
In 1202 wird der Prozess gestartet. In 1204 wird ein Heizstrom angelegt, womit mindestens ein Anti-Ferromagnet des Magnetstapels der MRAM-Zelle 200, 300 auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher ist als die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten der MRAM-Zelle 200, 300. In 1206 wird ein externes Magnetfeld an die MRAM-Zelle 200, 300 angelegt, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Amplitude des externen Magnetfeldes größer als die zweite Schaltschwelle, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen verglichen mit dem externen Magnetfeld, welches verwendet wird zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in die vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung (d.h. die erste Schaltschwelle). Ferner wird in 1208 der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten reduziert, womit anschaulich die zweite Magnetisierungsausrichtung entlang der gesamten effektiven Feldrichtung, welche unterschiedlich ist von der leichten Achsenrichtung 224 der MRAM-Zelle 200, 300, eingefroren wird. Ferner wird in 1210 das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert.
13 zeigt ein Ablaufdiagramm 1300, in dem ein Prozess zum Programmieren des vierten Magnetisierungszustands 408 (Zustand „11") in die MRAM-Zelle 200, 300 dargestellt ist.
In 1302 wird der Prozess gestartet. In 1304 wird ein Heizstrom angelegt, womit mindestens ein Anti-Ferromagnet des Magnetstapels der MRAM-Zelle 200, 300 geheizt wird auf eine Temperatur, die höher ist als die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten der MRAM-Zelle 200, 300. In 1306 wird ein externes Magnetfeld an die MRAM-Zelle 200, 300 angelegt, wobei das externe Magnetfeld größer ist als die zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in die vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. Ferner wird in 1308 das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert. Weiterhin wird in 1310 der Heizstrom reduziert unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten.
14 zeigt ein Ablaufdiagramm 1400, in dem ein Prozess zum Programmieren des ersten Magnetisierungszustands 402 (Zustand „00") in die MRAM-Zelle 200, 300 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In 1402 wird der Prozess gestartet. In 1404 wird ein Heizstrom angelegt, womit mindestens ein Anti-Ferromagnet des Magnetstapels der MRAM-Zelle 200, 300 auf eine Temperatur geheizt wird, die höher ist als die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten der MRAM-Zelle 200, 300. Das Anlegen des Heizstroms ist in einem ersten Timingdiagramm 1500 in 15 in einer Heizstrom-Kurve 1502 dargestellt. In 1406 wird ein externes Magnetfeld an die MRAM-Zelle 200, 300 angelegt, beispielsweise indem ein entsprechender Bitleitungsstrom durch die Bitleitung 210 geführt wird, wobei das externe Magnetfeld größer ist als eine erste Schaltschwelle, welche erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung. Das Anlegen des Bitleitungsstroms ist in einem zweiten Timing-Diagramm 1504 in 15 in einer Bitleitungsstrom-Kurve 1506 dargestellt. Nach einer ausreichend langen Ausrichtungszeit ist die Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 angeglichen an die gewünschte Magnetisierungsausrichtung. Ferner wird in 1408 das externe Magnetfeld reduziert unter die erste Schaltschwelle.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das externe Magnetfeld vollständig abgeschaltet, während der Heizstrom noch weiterhin derart angelegt wird, dass die MRAM-Zelle 200, 300 für eine vorbestimmte Zeitdauer auf eine Temperatur geheizt wird, die höher ist als die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten der MRAM-Zelle 200, 300 (Prozess 1410). Die vorbestimmte Zeitdauer t ist größer als 0 ns, beispielsweise in einem Bereich von 5 ns bis 50 ns, beispielsweise in einem Bereich von 5 ns bis 20 ns, beispielsweise ungefähr 10 ns. Auf diese Weise kann die Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in den Ausrichtungszustand mit der niedrigsten Energie beginnend von der ersten Magnetisierungsausrichtung (die Ausrichtung 1508 der leichten Achsenrichtung 224) in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, dem ersten Zustand, in 15 symbolisiert mit 1510, relaxieren. Nachdem die vorbestimmte Zeitdauer geendet hat, wird in 1412 der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten reduziert. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Heizstrom vollständig abgeschaltet. Somit wird die MRAM-Zelle 200, 300 abgekühlt ohne ein angelegtes externes Magnetfeld.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung muss der Strom, welcher das Magnetfeld erzeugt, nicht notwendigerweise ausgeschaltet werden, sondern kann mit ausreichend kleiner Amplitude bereitgestellt werden, sogar mit umgekehrtem Vorzeichen, womit der Magnetstapel umgekehrt vorgespannt würde. In diesem Fall wird eine zusätzliche Rücksetzungs-Kraft dem Magnetstapel bereitgestellt.
16 zeigt ein Ablaufdiagramm 1600, in dem ein Prozess zum Programmieren des zweiten Magnetisierungszustands 404 (Zustand „01") in die MRAM-Zelle 200, 300 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In 1602 wird der Prozess gestartet. In 1604 wird ein Heizstrom angelegt, womit mindestens ein Anti-Ferromagnet des Magnetstapels der MRAM-Zelle 200, 300 auf eine Temperatur geheizt wird, die höher ist als die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten der MRAM-Zelle 200, 300. Das Anlegen des Heizstroms ist in einem ersten Timing-Diagramm 1700 in 17 in einer Heizstrom-Kurve 1702 dargestellt. In 1606 wird ein externes Magnetfeld an die MRAM-Zelle 200, 300 angelegt, beispielsweise indem ein entsprechender Bitleitungsstrom durch die Bitleitung 210 geführt wird, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung. Das Anlegen des Bitleitungsstroms ist in einem zweiten Timing-Diagramm 1704 in 17 in einer Bitleitungsstrom-Kurve 1706 gezeigt. Nach einer ausreichend langen Ausrichtungszeit ist die Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 an die gewünschte Magnetisierungsausrichtung 1708 angeglichen. Ferner wird in 1608 der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten reduziert. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Heizstrom vollständig ausgeschaltet, während das externe Magnetfeld noch weiterhin angelegt wird derart, dass die MRAM-Zelle 200, 300 weiterhin dem externen Magnetfeld während der Abkühlphase für eine vorbestimmt Zeitdauer ausgesetzt ist (Prozess 1610). Die vorbestimmte Zeitdauer ist größer ist als 0 ns, beispielsweise in einem Bereich von 5 ns bis 50 ns, beispielsweise in einem Bereich von 5 ns bis 20 ns, beispielsweise ungefähr 10 ns. Auf diese Weise wird die Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in der Magnetisierungsausrichtung eingefroren, welche bestimmt ist durch das externe Magnetfeld und die leichte Achsenrichtung des Magnetstapels der MRAM-Zelle 200, 300. Ferner wird, nachdem die vorbestimmte Zeitdauer beendet ist, in 1612 das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das externe Magnetfeld vollständig abgeschaltet. Somit wird die MRAM-Zelle 200, 300 in dem zweiten Zustand „eingefroren" mit einem angelegten externen Magnetfeld, in 17 symbolisiert mit 1710.
18 zeigt ein Ablaufdiagramm 1800, in dem ein Prozess zum Programmieren des dritten Magnetisierungszustands 406 (Zustand „10") in die MRAM-Zelle 200, 300 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In 1802 wird der Prozess gestartet. In 1804 wird ein Heizstrom angelegt, womit mindestens ein Anti-Ferromagnet des Magnetstapels der MRAM-Zelle 200, 300 auf eine Temperatur geheizt wird, die höher ist als die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten der MRAM-Zelle 200, 300. Das Anlegen des Heizstroms ist in einem ersten Timing-Diagramm 1900 in 19 in einer Heizstrom-Kurve 1902 gezeigt. In 1806 wird ein externes Magnetfeld an die MRAM-Zelle 200, 300 angelegt, beispielsweise indem ein korrespondierender Bitleitungsstrom durch die Bitleitung 210 geführt wird, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Amplitude des externen Magnetfeldes höher als die zweite Schaltschwelle, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen verglichen mit dem externen Magnetfeld, welches verwendet wird zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in die vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung (d.h. die erste Schaltschwelle). Das Anlegen des Bitleitungsstroms ist in einem zweiten Timing-Diagramm 1904 in 19 in einer Bitleitungsstrom-Kurve 1906 gezeigt. Nach einer ausreichend langen Ausrichtungszeit ist die Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 der gewünschten Magnetisierungsausrichtung 1908 angeglichen. Ferner wird in 1808 der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten reduziert.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Heizstrom vollständig abgeschaltet, während das externe Magnetfeld noch weiterhin angelegt wird derart, dass die MRAM-Zelle 200, 300 weiterhin dem externen Magnetfeld während der Abkühlphase über eine vorbestimmte Zeitdauer (Prozess 1810) ausgesetzt ist. Die vorbestimmte Zeitdauer t ist größer als 0 ns, beispielsweise in einem Bereich von 5 ns bis 50 ns, beispielsweise in einem Bereich von 5 ns bis 20 ns, beispielsweise ungefähr 10 ns. Auf diese Weise wird die Ausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 parallel zu dem gesamten effektiven Feld eingefroren, welches bestimmt ist durch das externe Magnetfeld und die leichte Achsenrichtung des Magnetstapels der MRAM-Zelle 200, 300. Ferner wird, nachdem die vorbestimmte Zeitdauer beendet ist, in 1812 das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das externe Magnetfeld vollständig abgeschaltet. Auf diese Weise wird die MRAM-Zelle 200, 300 „eingefroren" mit einem angelegten externen Magnetfeld in dem dritten Zustand „10", wie in 19 mit 1910 symbolisiert ist.
20 zeigt ein Ablaufdiagramm 2000, in welchem ein Prozess zum Programmieren des vierten Magnetisierungszustands 408 (Zustand „11") in die MRAM-Zelle 200, 300 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In 2002 wird der Prozess gestartet. In 2004 wird ein Heizstrom angelegt, womit der mindestens eine Anti-Ferromagnet des Magnetstapels der MRAM-Zelle 200, 300 auf eine Temperatur geheizt wird, die höher ist als die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten der MRAM-Zelle 200, 300. Das Anlegen des Heizstroms ist in einem ersten Timing-Diagramm 2100 in 21 in einer Heizstrom-Kurve 2102 dargestellt. In 2006 wird ein externes Magnetfeld an die MRAM-Zelle 200, 300 angelegt, beispielsweise indem ein korrespondierender Bitleitungsstrom durch die Bitleitung 210 geführt wird, wobei das externe Magnetfeld größer ist als die zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in die vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung. Das Anlegen des Bitleitungsstroms ist in einem zweiten Timing-Diagramm 2104 in 21 in einer Bitleitungsstrom-Kurve 2106 gezeigt. Nach einer ausreichend langen Ausrichtungszeit ist die Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 an die gewünschte Magnetisierungsrichtung angeglichen. Ferner wird in 2108 das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das externe Magnetfeld vollständig ausgeschaltet, während der Heizstrom noch für eine vorbestimmte Zeitdauer weiterhin angelegt wird derart, dass die MRAM-Zelle 200, 300 auf eine Temperatur geheizt wird, die höher ist als die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten der MRAM-Zelle 200, 300 (Prozess 2010). Die vorbestimmte Zeitdauer t ist größer als 0 ns, beispielsweise in einem Bereich von 5 ns bis 50 ns, beispielsweise in einem Bereich von 5 ns bis 20 ns, beispielsweise ungefähr 10 ns. Auf diese Weise kann die Magnetisierungsausrichtung der MRAM-Zelle 200, 300 in den Ausrichtungszustand mit der niedrigsten Energie relaxieren startend von der zweiten Magnetisierungsausrichtung (die Ausrichtung 2108, die der Richtung des ersten Zustands entgegengesetzt ist, aber parallel zu der leichten Achsenrichtung 224 ist), in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, den vierten Zustand, wie in 21 symbolisiert mit 2110. Nachdem die vorbestimmte Zeitdauer geendet hat, wird in 2012 der Heizstrom reduziert unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Heizstrom vollständig abgeschaltet. Somit wird die MRAM-Zelle 200, 300 abgekühlt ohne ein angelegtes externes Magnetfeld.
Es ist anzumerken, dass die oben beschriebenen Prozesse sehr einfache Puls-Folgen sind zum Einstellen der vier unterschiedlichen Zustände. Insbesondere kann der jeweilige dritte Prozess 1408, 1608, 1808, 2008 des Reduzierens des externen Magnetfeldes oder des Heizstroms erweitert werden zum Erreichen einer besser abgestimmten Folge, welche es auch ermöglicht, mehr als vier Zustände zu schreiben, wenn die Winkel flexibler gesteuert werden können. Beispielsweise kann in einem Prozess gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Stärke des Bitleitungsstroms verändert werden auf einen unterschiedlichen Wert als denjenigen, der in dem jeweiligen Prozessschritt 1406, 1606, 1806, 2006 des Anlegens des externen Magnetfeldes verwendet wird (selbst wenn das Vorzeichen des Bitleitungsstroms verändert werden könnte).
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der „11"-Zustand 408 auch erzeugt werden, indem von dem „10"-Zustand 406 gestartet wird, und der Magnetstapel über die Blockiertemperatur von dem mindestens einen Anti-Ferromagneten geheizt wird, selbst ohne ein externes Magnetfeld. Wenn die Temperatur des Magnetstapels über der Blockiertemperatur liegt, relaxiert der Magnetstapel in den „11"-Zustand 408. Ferner kann der „00"-Zustand 402 ebenfalls erzeugt werden mittels Startens von dem „01"-Zustand 404 und Heizens des Magnetstapels über die Blockiertemperatur des mindestens einen Anti-Ferromagneten selbst ohne ein externes Magnetfeld. Wenn die Temperatur des Magnetstapels 202 über der Blockiertemperatur liegt, dann relaxiert der Magnetstapel in den „00"-Zustand 402.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die für das Schalten verwendeten Schwellen unterschiedlich sein beim Programmieren eines jeden jeweiligen Zustands.
Wenn der in einer MRAM-Zelle 200, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung programmierte Zustand gelesen wird, kann im Allgemeinen jeder geeignete Prozess angewendet werden.
Wenn jedoch Multi-Level-Schreiben in Thermisch-Ausgewählt-Schemata verwendet wird, dann ist es wünschenswert, den maximal verfügbaren MR-Bereich für Parallel und Anti-Parallel-Freie-Schicht(Speicherschicht)-Ausrichtung für die unterschiedlichen Multi-Level-Zustände aufzuspalten. Für ein 2-Bit (4 Level)-System steigen die Anforderungen an das MR um einen Faktor 3, um die gleichen Anforderungen für einen benötigten Auslesebereich (RQF-Anforderungen) zu erreichen. Wenn für ein 1 Bit/Zelle NG-MRAM für 65 nm die MR-Anforderungen ungefähr 130 % MR sind, würde eine 2 Bit/Zelle-Architektur 390 % MR erfordern, um zu erreichen, dass ein Ausleseschaltkreis zuverlässig arbeitet. Deshalb wird in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Selbst-Referenz-Schema verwendet, welches besonders angepasst ist, so dass es mit dem oben beschriebenen Multi-Level-Erzeugungsschema unter Verwendung einer oder zweier gekreuzter Feldleitungen arbeitet. Jedoch kann das Ausleseschema gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung auch verwendet werden mit einer auf jede andere Weise programmierten MRAM-Zelle.
In dem folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Zwischenpegel-Zustände (beispielsweise „01"-Zustand oder „10"-Zustand) klassifiziert gemäß den entsprechenden „11"-Widerstands-Pegeln oder „00"-Widerstands-Pegeln.
22 zeigt ein Ablaufdiagramm 2200, in dem ein Leseprozess zum Auslesen des Zustands einer MRAM-Zelle 300 mit zwei gekreuzten Feldleitungen zum Erzeugen des externen Magnetfeldes, beispielsweise der Bitleitung 210 und der Wortleitung 302, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In 2202 wird ein erster Widerstandswert der MRAM-Zelle 300 gemessen, in anderen Worten, ausgelesen, und in einem Speicher der Speicherzellenanordnung 100 (nicht dargestellt) gespeichert.
In 2204 wird ein vorbestimmter Referenzzustand (beispielsweise „00"-Zustand oder „11"-Zustand) programmiert mittels Anlegens eines Heizstroms und eines externen Magnetfeldes (mittels eines Bitleitungsstroms und eines Wortleitungsstroms) an einen Magnetstapel der MRAM-Zelle 300.
In 2206 wird ein zweiter Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle, welche sich in dem Referenzzustand befindet, gemessen und optional gespeichert.
In 2208 wird der dem ersten Widerstandswert entsprechende Programmierzustand ermittelt, indem der erste Widerstandswert mit dem zweiten Widerstandswert verglichen wird. In anderen Worten wird der ursprünglich gelesene Widerstandszustand klassifiziert mittels des beschriebenen Vergleichs.
Dann wird die ursprüngliche Information, die in der MRAM-Zelle 300 gespeichert wurde, zurück in die MRAM-Zelle 300 geschrieben unter Verwendung eines entsprechenden Verfahrens, beispielsweise unter Verwendung eines Programmierverfahrens, wie es oben beschrieben worden ist.
23 zeigt ein Ablaufdiagramm, in dem ein Leseprozess zum Auslesen des Zustands einer MRAM-Zelle 200 mit einer gekreuzten Feldleitung zum Erzeugen des externen Magnetfeldes, beispielsweise der Bitleitung 210, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In 2302 wird ein erster Widerstandswert der MRAM-Zelle 200 gemessen, in anderen Worten, ausgelesen, und in einem Speicher der Speicherzellenanordnung 100 (nicht dargestellt) gespeichert.
In 2304 wird eine Relaxation der Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der MRAM-Zelle 200 in eine Referenzrichtung ermöglicht, welche Referenzrichtung parallel zu oder anti-parallel zu oder senkrecht zu der leichten Achsenrichtung 224 des Magnetstapels 202 sein kann, indem ein Heizstrom angelegt wird, abhängig von dem Zwischenzustand, den die MRAM-Zelle 200 hat vor dem Heizprozess (beispielsweise „01"-Zustand oder „10"-Zustand).
In 2306 wird ein zweiter Widerstandswert der MRAM-Zelle 200 gemessen, wenn die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der MRAM-Zelle 200 in der Referenzrichtung ist, welche parallel sein kann oder anti-parallel sein kann oder senkrecht sein kann zu der leichten Achsenrichtung 224 des Magnetstapels 202 der MRAM-Zelle 200.
In 2308 wird der zu dem ersten Widerstandswert korrespondierende Programmierzustand ermittelt, indem der erste Widerstandswert mit dem zweiten Widerstandswert verglichen wird.
Wenn der ursprüngliche Zustand der „11"-Zustand war, ist nur eine sehr kleine oder sogar gar keine Veränderung in den gemessenen Widerstandswerten zu beobachten. Wenn der ursprüngliche Zustand der „00"-Zustand war, kann nur eine sehr kleine oder sogar gar keine Veränderung in den gemessenen Widerstandswerten beobachtet werden. In beiden Fällen ist die Veränderung des Widerstands unterhalb eines kritischen Schwellenwerts dR_00 bzw. dR_11.
Wenn der ursprüngliche Zustand der „10"-Zustand oder der „01"-Zustand war, dann kann eine erhebliche Veränderung in den gemessenen Widerstandswerten beobachtet werden.
Dann wird die ursprüngliche Information, welche in der MRAM-Zelle 200 gespeichert war, wieder zurück in die MRAM-Zelle 200 geschrieben, beispielsweise unter Verwendung eines entsprechenden Verfahrens, beispielsweise eines Programmierverfahrens, wie es oben beschrieben worden ist.
Es ist anzumerken, dass das Ausleseschema schließlich ein zusätzliches globales/lokales Referenzschema zum Definieren des „00"-Zustand-Schemas und des „11"-Zustand-Schemas verwendet.
24 zeigt ein Ablaufdiagramm 2400, in welchem ein Ausleseprozess zum Auslesen des Zustands einer MRAM-Zelle 200 mit einer gekreuzten Feldleitung zum Erzeugen des externen Magnetfeldes, beispielsweise der Bitleitung 210, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In 2402 wird ein erster Widerstandswert der MRAM-Zelle 200 gemessen, in anderen Worten, ausgelesen, und in einem Speicher der Speicherzellenanordnung 100 (nicht gezeigt) gespeichert.
In 2404 wird die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der MRAM-Zelle 200 eingeprägt, in anderen Worten, festgelegt, in einer Referenzrichtung, welche parallel sein kann zu oder anti-parallel sein kann zu oder senkrecht sein kann zu der leichten Achsenrichtung 224 des Magnetstapels 202, indem ein Magnetfeld angelegt wird. In anderen Worten wird ein Feld-Festlegepuls angelegt zum Festlegen des möglichen „01"-Zustands in den „00"-Zustand oder des möglichen „10"-Zustands in den „11"-Zustand.
In 2406 wird ein zweiter Widerstandswert der MRAM-Zelle 200 gemessen, wenn die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der MRAM-Zelle 200 in der Referenzrichtung ist, welche parallel sein kann zu oder anti-parallel sein kann zu oder senkrecht sein kann zu der leichten Achsenrichtung 224 des Magnetstapels 202. In anderen Worten wird die MRAM-Zelle 200 erneut gelesen unter dem geneigten Feld und der gemessene Widerstandswert wird verglichen mit dem gespeicherten ersten Widerstandswert. Auf diese Weise wird in 2408 der dem ersten Widerstandswert entsprechende Programmierzustand ermittelt, indem der erste Widerstandswert mit dem zweiten Widerstandswert verglichen wird.
Wenn der ursprüngliche Zustand der „11"-Zustand war, dann kann nur eine geringe Veränderung oder sogar gar keine Veränderung in den gemessenen Widerstandswerten beobachtet werden. Wenn der ursprüngliche Zustand der „00"-Zustand war, dann kann nur eine sehr geringe oder sogar gar keine Veränderung in den gemessenen Widerstandswerten beobachtet werden. In beiden Fällen ist die Veränderung des Widerstands unterhalb eines kritischen Schwellenwerts dR_00 bzw. dR_11.
Wenn der ursprüngliche Zustand der „10"-Zustand war oder der „01"-Zustand, dann kann eine erhebliche Veränderung in den gemessenen Widerstandswerten beobachtet werden. Abhängig von der Polarität des Feldpulses, der verwendet wird zum Festlegen der Speicherinformation, kann eine positive Veränderung oder eine negative Veränderung in dem Widerstand erfasst werden für einen gegebenen Zwischenzustand „01" oder „10".
Per Definition ist für den Zwischenzustand „01" die Widerstandsveränderung positiv, wenn ein positiver Feldpuls verwendet wird. Aus dieser Definition resultiert, dass der „10"-Zustand eine negative Widerstandsveränderung aufweist, wenn ein positiver Feldpuls verwendet wird.
Wenn ein negativer Feldpuls verwendet wird, ändert sich das Vorzeichen jeweils entsprechend.
Deshalb ist es, wenn eine gegebene Feldpulspolarität verwendet wird, möglich, den korrekten Zwischenzustand „01"-Zustand oder „10"-Zustand zu bestimmen basierend auf dem gemessenen Vorzeichen der Widerstandsänderung.
In anderen Worten wird abhängig von den Zwischenzuständen der gemessene zweite Widerstandswert näher an den „00"-Zustand oder den „11"-Zustand bewegt.
Dann wird die ursprüngliche Information, welche in der MRAM-Zelle 200 gespeichert war, optional in die MRAM-Zelle 200 zurück geschrieben, unter Verwendung eines entsprechenden Verfahrens, beispielsweise eines Programmierverfahrens, wie es oben beschrieben worden ist.
Es ist anzumerken, dass dieses Ausleseschema schließlich ein zusätzliches globales/lokales Referenzschema verwendet zum Definieren des „00"-Zustand-Schemas und des „11"-Zustand-Schemas.
Ferner ist anzumerken, dass viele andere Abwandlungen der oben beschriebenen Prozesse möglich sind und die oben beschriebenen Prozesse nur ein Beispiel für eine 2-Bit-Zelle sind und in einem Ausführungsbeispiel einer MRAM-Zelle, welche mehr als zwei Bits speichert, angepasst würde.
Beispielsweise könnte in dem Fall der Verwendung des Festlege-Feldpulses das Festlegen erreicht werden, indem ein anderer Referenzzustand festgelegt wird, welcher nicht verwendet wird zur Datenspeicherung (beispielsweise der 90°-Widerstandszustand, 50 % MR-Pegel).
Ferner kann in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wenn gekreuzte Wortleitungen und Bitleitungen vorgesehen sind, der obere Referenzzustand erzeugt werden mittels eines Heizpulses und eines geeigneten Feld-Einstellpulses.
In alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung können die beschriebenen Prozesse verwendet werden als Selbst-Referenz-Schemata für Multi-Level-MRAM-Zellen, beispielsweise in einer Architektur mit zwei Leitungen, welche ein externes Magnetfeld erzeugen oder in einer Architektur mit einer Leitung (beispielsweise der Bitleitung), welche eine externes Magnetfeld erzeugt, das kombiniert wird mit dem effektiven Anisotropie-Feld, bereitgestellt von dem Magnetstapel der MRAM-Zelle.

Claims

Magnetoresistive Speicherzelle, • mit einem Magnetstapel, der ein effektives Anisotropie-Feld einer Speicherschicht des Magnetstapels während eines thermisch-ausgewählten Heizens bereitstellt; • mit mindestens einer Leitung, welche dem Magnetstapel mindestens ein externes Magnetfeld bereitstellt; • wobei das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld relativ zueinander einen Nicht-Null-Winkel bilden.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß Anspruch 1, wobei das effektive Anisotropie-Feld parallel ist zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das effektive Anisotropie-Feld ein Form-Anisotropie-Feld ist.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das effektive Anisotropie-Feld ein Intrinsische-Anisotropie-Feld ist.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Magnetstapel und die mindestens eine Leitung relativ zueinander angeordnet sind derart, dass das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine Leitung ferner dem Magnetstapel einen Heizstrom bereitstellt.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Magnetstapel ein magnetischer Tunnelübergang-Stapel ist.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Magnetstapel aufweist: • eine erste ferromagnetische Schicht; • eine Isolationsschicht, welche auf oder über der ersten ferromagnetischen Schicht angeordnet ist; und • eine zweite ferromagnetische Schicht, welche auf oder über der Isolationsschicht angeordnet ist.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Magnetstapel entlang ihrer leichten Achsenrichtung in einem Nicht-Null-Winkel relativ zu der mindestens einen Leitung angeordnet ist.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Nicht-Null-Winkel zwischen dem effektiven Anisotropie-Feld und dem mindestens einen externen Magnetfeld einen Wert aufweist in einem Bereich von ungefähr 5° bis ungefähr 175°.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß Anspruch 10, wobei der Nicht-Null-Winkel zwischen dem effektiven Anisotropie-Feld und dem mindestens einen externen Magnetfeld einen Wert aufweist in einem Bereich von ungefähr 15° bis ungefähr 85°.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die mindestens eine Leitung genau eine Feldleitung ist zum Erzeugen des externen Magnetfeldes.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die mindestens eine Leitung aus einem Metall hergestellt ist.
Magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei der Heizstrom und das mindestens eine externe Magnetfeld von einem elektrischen Strom bereitgestellt werden.
Magnetoresistive Speicherzellenanordnung, mit mindestens einer magnetoresistiven Speicherzelle, welche aufweist: • einen Magnetstapel, welcher ein effektives Anisotropie-Feld einer Speicherschicht des Magnetstapels während eines thermisch-ausgewählten Heizens bereitstellt; • mindestens eine Leitung zum Bereitstellen von mindestens einem externen Magnetfeld einem Magnetstapel; • wobei das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld relativ zueinander einen Nicht-Null-Winkel bilden; mit einer Steuerung zum Programmieren der magnetoresistiven Speicherzelle.
Magnetoresistive Speicherzellenanordnung gemäß Anspruch 15, wobei das effektive Anisotropie-Feld parallel ist zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels.
Magnetoresistive Speicherzellenanordnung gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei das effektive Anisotropie-Feld ein Form-Anisotropie-Feld ist.
Magnetoresistive Speicherzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das effektive Anisotropie-Feld ein Intrinsische-Anisotropie-Feld ist.
Magnetoresistive Speicherzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der Magnetstapel und die mindestens eine Leitung relativ zueinander derart angeordnet sind, dass das effektive Anisotropie-Feld und das mindestens eine externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden.
Magnetoresistive Speicherzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die mindestens eine Leitung ferner dem Magnetstapel einen Heizstrom bereitstellt.
Magnetoresistive Speicherzellenanordnung gemäß Anspruch 20, wobei die Steuerung eingerichtet ist derart, dass ein erster Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein erster Programmierprozess durchgeführt wird, welcher aufweist: • Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • Anlegen des externen Magnetfeldes an den Magnetstapel, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung; • Reduzieren des externen Magnetfeldes unter die erste Schaltschwelle; nachdem das externe Magnetfeld unter die erste • Schaltschwelle reduziert ist, Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels.
Magnetoresistive Speicherzellenanordnung gemäß Anspruch 20 oder 21, wobei die Steuerung eingerichtet ist derart, dass ein zweiter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein zweiter Programmierprozess ausgeführt wird, welcher aufweist: • Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • Anlegen des externen Magnetfeldes an den Magnetstapel, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung; • Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, Reduzieren des externen Magnetfeldes unter die erste Schaltschwelle.
Magnetoresistive Speicherzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Steuerung eingerichtet ist derart, dass ein dritter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein dritter Programmierprozess ausgeführt wird, welcher aufweist: • Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, welche höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • Anlegen des externen Magnetfeldes an den agnetstapel, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung; • Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, Reduzieren des externen Magnetfeldes unter die zweite Schaltschwelle.
Magnetoresistive Speicherzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Steuerung eingerichtet ist derart, dass ein vierter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein vierter Programmierprozess durchgeführt wird, welcher aufweist: • Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • Anlegen des externen Magnetfeldes an den Magnetstapel, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung; • Reduzieren des externen Magnetfeldes unter die zweite Schaltschwelle; • nachdem das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert worden ist, Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels.
Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzellen, • bei dem ein Heizstrom an einen Magnetstapel angelegt wird, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • bei dem ein externes Magnetfeld an den Magnetstapel angelegt wird derart, dass ein effektives Anisotropie-Feld einer Speicherschicht des Magnetstapels während eines thermisch-ausgewählten Heizens bereitgestellt wird, wobei das effektive Anisotropie-Feld und das externe Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel relativ zueinander bilden; • bei dem der Heizstrom und das externe Magnetfeld zu unterschiedlichen Zeitpunkten reduziert werden, womit die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird unter Verwendung des effektiven Anisotropie-Feldes und des externen Magnetfeldes.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei das effektive Anisotropie-Feld parallel ist zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels.
Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, bei dem ein erster Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein erster Programmierprozess ausgeführt wird, welcher aufweist: • Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstroms mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, die höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • Anlegen des externen Magnetfeldes an den Magnetstapel, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, die erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung; • Reduzieren des externen Magnetfeldes unter die erste Schaltschwelle; • nachdem das externe Magnetfeld unter die erste Schaltschwelle reduziert worden ist, Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem ein zweiter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein zweiter Programmierprozess ausgeführt wird, welcher aufweist: • Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Heizstapels auf eine Temperatur heizt, welche höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • Anlegen des externen Magnetfeldes an den Magnetstapel, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine erste Schaltschwelle, welche erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte erste Magnetisierungsausrichtung; • Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, Reduzieren des externen Magnetfeldes unter die erste Schaltschwelle.
Verfahren gemäß Anspruch 25, bei dem ein dritter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein dritter Programmierprozess ausgeführt wird, welcher aufweist: • Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens eine Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, welche höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • Anlegen des externen Magnetfeldes an den Magnetstapel, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, welche erforderlich ist zum Schalten der Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung; • Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • nachdem der Heizstrom unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels reduziert worden ist, Reduzieren des externen Magnetfeldes unter die zweite Schaltschwelle.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 29, bei dem ein vierter Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird, indem ein vierter Programmierprozess ausgeführt wird, welcher aufweist: • Anlegen des Heizstroms an den Magnetstapel, wobei der Heizstrom mindestens einen Anti-Ferromagneten des Magnetstapels auf eine Temperatur heizt, welche höher ist als eine Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels; • Anlegen des externen Magnetfeldes an den Magnetstapel, wobei das externe Magnetfeld höher ist als eine zweite Schaltschwelle, welche erforderlich ist zum Schalten der zweiten Magnetisierungsausrichtung einer Speicherschicht des Magnetstapels in eine vorbestimmte zweite Magnetisierungsausrichtung; • Reduzieren des externen Magnetfeldes unter die zweite Schaltschwelle; • nachdem das externe Magnetfeld unter die zweite Schaltschwelle reduziert worden ist, Reduzieren des Heizstroms unter die Blockiertemperatur des Anti-Ferromagneten des Magnetstapels.
Verfahren zum Auslesen einer magnetoresistiven Speicherzelle, • bei dem ein erster Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird; • bei dem ein Heizstrom und ein externes Magnetfeld an einen Magnetstapel der magnetoresistiven Speicherzelle angelegt werden, womit ein vorbestimmter Referenzzustand programmiert wird; • bei dem ein zweiter Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle, welche sich in dem Referenzzustand befindet, gemessen wird; • bei dem der zu dem ersten Widerstandswert korrespondierende Programmierzustand ermittelt wird, indem der erste Widerstandswert mit dem zweiten Widerstandswert verglichen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 31, bei dem der zu dem ersten Widerstandswert korrespondierende Programmierzustand die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird.
Verfahren zum Auslesen einer magnetoresistiven Speicherzelle, • bei dem ein erster Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird, • bei dem ein Heizstrom angelegt wird, womit eine Relaxation der Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in mindestens eine Referenzrichtung ermöglicht wird; • bei dem ein zweiter Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird, wenn die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in der Referenzrichtung ist; und • bei dem der zu dem ersten Widerstandswert korrespondierende Programmierzustand ermittelt wird, indem der erste Widerstandswert mit dem zweiten Widerstandswert verglichen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 33, bei dem der zu dem ersten Widerstandswert korrespondierende Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 33 oder 34, bei dem die Referenzrichtung parallel oder anti-parallel ist zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels.
Verfahren zum Auslesen einer magnetoresistiven Speicherzelle, • bei dem ein erster Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird; • bei dem ein Magnetfeld angelegt wird, womit die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in mindestens eine Referenzrichtung eingeprägt wird; • bei dem ein zweiter Widerstandswert der magnetoresistiven Speicherzelle gemessen wird, wenn die Magnetisierungsrichtung eines Magnetstapels der magnetoresistiven Speicherzelle in der Referenzrichtung ist; und • bei dem der zu dem ersten Widerstandswert korrespondierende Programmierzustand ermittelt wird, indem der erste Widerstandswert mit dem zweiten Widerstandswert verglichen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 36, bei dem der zu dem ersten Widerstandswert korrespondierende Programmierzustand in die magnetoresistive Speicherzelle programmiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 36 oder 37, bei dem die Referenzrichtung parallel oder anti-parallel ist zu der leichten Achsenrichtung des Magnetstapels.