DE102007045077B4

DE102007045077B4 - Aktive Schreib-Strom-Anpassung für einen magnetoresistiven Vielfachzugriffsspeicher

Info

Publication number: DE102007045077B4
Application number: DE102007045077A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sturm Andre; Hans-Heinrich Viehmann; Dr. Gogl Dietmar
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2027-09-22
Also published as: DE102007045077A1; US20080080232A1

Abstract

Verfahren zum Programmieren von magnetoresistiven Speicherzellen, wobei das Verfahren aufweist:
• Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle, zum Schreiben eines ersten Programmierwertes in die erste magnetoresistive Speicherzelle;
• Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle, zum Schreiben eines zweiten Programmierwertes in die zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei sich der zweite Programmierwert von dem ersten Programmierwert unterscheidet;
• Ermitteln, ob die magnetoresistiven Speicherzellen ein Programmier-Kriterium erfüllen;
• wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die magnetoresistive Speicherzelle, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wobei der dritte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der dritte Schreib-Strom über eine erste Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird, die einer Schreib-Richtung der magnetoresistiven Speicherzelle entspricht, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt; und
• wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle und die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die magnetoresistive Speicherzelle, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wobei der vierte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der vierte Schreib-Strom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle, ein Verfahren zum Programmieren von magnetoresistiven Speicherzellen, eine magnetoresistive Speicherzellen-Anordnung und ein Computerprogramm-Produkt zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle.
Eine sich für nichtflüchtige Speicher entwickelnde Technologie ist der magnetoresistive Vielfachzugriffsspeicher (Magneto-resistive Random Access Memory, MRAM). Zur Zeit basiert die am meisten verbreitete Form von MRAM auf dem magnetischen Tunnelwiderstands-Effekt (Tunnelling Magneto-Resistance, TMR), wobei jede Speicherzelle einen magnetischen Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) aufweist. Solch ein magnetischer Tunnelübergang kann aus zwei ferromagnetischen Metallschichten gebildet sein, wobei eine Isolierschicht zwischen den Metallschichten angeordnet ist. Wenn eine Spannung zwischen den Metallschichten angelegt wird, fließt ein Tunnelstrom. Der Tunnelwiderstand variiert auf der Grundlage der relativen Richtungen der Magnetisierung der Metallschichten. Der Tunnelwiderstand ist niedrig, wenn die Richtungen der Magnetisierung parallel sind (typischerweise eine ”0” repräsentierend), und hoch (ungefähr 10% bis 20% höher, bei Raumtemperatur), wenn die Richtungen der Magnetisierung antiparallel zueinander sind (typischerweise eine ”1” repräsentierend).
Die Metallschichten in einer typischen MRAM-MTJ weisen eine ”festgelegte” Schicht, in der die Richtung der Magnetisierung festgelegt ist und eine ”freie” Schicht, in der die Richtung der Magnetisierung durch das Anlegen von Strömen umgeschaltet werden kann, auf. Diese Ströme werden durch leitfähige Wort-Leitungen bezeichnet werden, die so angeordnet sind, dass die Bit-Leitungen orthogonal zu den Wort-Leitungen sind. In einem MRAM-Array ist eine MTJ-Speicherzelle an jedem Kreuzungspunkt einer Bit-Leitung mit einer Wort-Leitung angeordnet.
Das Patent US6751147B1 beschreibt ein Verfahren zum Beschreiben von MRAM-Speicherzellen, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines logischen Datenblocks eines Speicher-Arrays mit MRAM-Speicherzellen, wobei jede MRAM-Speicherzelle in einem bekannten Anfangszustand vorliegt und jede MRAM-Speicherzelle entlang eines Vorzugsachse-Magnetfeld erzeugenden Leiters angeordnet sind, wobei die MRAM-Speicherzellen mit einem vorbestimmten minimalen Strom beschrieben werden, wobei die MRAM-Zellen gelesen werden, um zu bestimmen, ob Daten erfolgreich geschrieben wurden, und wobei der Strom erhöht wird, wenn das Schreiben nicht erfolgreich war, und die Schritte des Schreibens des Magnetspeichers und Lesen des Magnetspeichers wiederholt werden.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 009 546 A1 beschreibt ein Beispiel eines Arrays aus Magnetspeicherzellen, das einen Schreibstromgenerator, ein Paar aus Testspeicherzellen und einen Widerstandsänderungssensor umfasst. Der Schreibstromgenerator erzeugt einen Schreibstrom zum Schreiben in ausgewählte Speicherzellen innerhalb des Arrays aus Magnetspeicherzellen. Die Testspeicherzellen in Verbindung mit dem Widerstandsänderungssensor können eine Rückkopplung zu dem Schreibstromgenerator erzeugen, zum Sicherstellen, dass der Schreibstrom stark genug ist, um zuverlässig in die Speicherzellen innerhalb des Arrays aus Magnetspeicherzellen zu schreiben, aber nicht so stark, dass Halbwählfehler auftreten. Ein Ausgang des Widerstandsänderungssensors ist mit dem Schreibstromgenerator verbunden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Verfahren zum Programmieren von magnetoresistiven Speicherzellen vorgesehen sein, wobei das Verfahren aufweist: Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines ersten Programmierwertes in die erste magnetoresistive Speicherzelle; Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines zweiten Programmierwertes in die zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei sich der zweite Programmierwert von dem ersten Programmierwert unterscheidet; Ermitteln, ob die magnetoresistiven Speicherzellen ein Programmier-Kriterium erfüllen; wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die magnetoresistive Speicherzelle, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wobei der dritte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der dritte Schreib-Strom über eine erste Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird, die einer Schreib-Richtung der magnetoresistiven Speicherzelle entspricht, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt; und wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle und die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die magnetoresistive Speicherzelle, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wobei der vierte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der vierte Schreib-Strom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.
Weiterhin kann die erste Zellen-Steuer-Leitung eine Bit-Leitung der magnetoresistiven Speicherzelle sein, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die zweite Zellen-Steuer-Leitung eine Wort-Leitung der magnetoresistiven Speicherzelle aufweisen, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt.
Ferner kann das Anlegen der Schreib-Ströme das Anwenden des Stoner-Wohlfarth-Schaltmechanismus aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Verfahren zum Programmieren von magnetoresistiven Speicherzellen vorgesehen sein, wobei das Verfahren aufweist: Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines ersten Programmierwertes in die erste magnetoresistive Speicherzelle; Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines zweiten Programmierwertes in die zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei der zweite Programmierwert sich von dem ersten Programmierwert unterscheidet; Ermitteln, ob die erste und zweite magnetoresistive Speicherzelle ein Programmier-Kriterium erfüllen; und wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle oder sowohl die erste magnetoresistive Speicherzelle als auch die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die das Programmier-Kriterium nicht erfüllende(n) magnetoresistive(n) Speicherzelle(n), wobei der dritte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der dritte Schreib-Strom über eine erste Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird, und Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die das Programmier-Kriterium nicht erfüllende(n) magnetoresistive(n) Speicherzelle(n), wobei der vierte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der vierte Schreib-Strom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die erste Zellen-Steuer-Leitung eine Bit-Leitung aufweisen.
Ferner kann die zweite Zellen-Steuer-Leitung eine Wort-Leitung der entsprechenden magnetoresistiven Speicherzelle sein.
Das Programmieren kann auch mittels des Rotations-Typ-Schaltmechanismus erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine magnetoresistive Speicherzellen-Anordnung bereitgestellt, aufweisend: ein Array aus einer Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen, wobei jede magnetoresistive Speicherzelle mit einer jeweiligen ersten Zellen-Steuer-Leitung und einer jeweiligen zweiten Steuerleitung gekoppelt ist; eine Programmier-Steuer-Einheit, die mit den ersten Zellen-Steuer-Leitungen und den zweiten Zellen-Steuer-Leitungen gekoppelt ist, wobei die Programmier-Steuer-Einheit das Durchführen der folgenden Schritte verursacht: Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle, um einen ersten Programmierwert in die erste magnetoresistive Speicherzelle zu schreiben; Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle, um einen zweiten Programmierwert in die zweite magnetoresistive Speicherzelle zu schreiben, wobei sich der zweite Programmierwert von dem ersten Programmierwert unterscheidet; Ermitteln, ob die magnetoresistiven Speicherzellen ein Programmier-Kriterium erfüllen; wenn entweder die erste magnetoresistive Speicherzelle oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die magnetoresistive Speicherzelle, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wobei der dritte Schreib-Strom höher oder niedriger als das erste Magnetfeld oder das zweite Magnetfeld ist, wobei der dritte Schreib-Strom über die erste Zellen-Steuer-Leitung der magnetoresistiven Speicherzelle angelegt wird, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt; und wenn sowohl die erste magnetoresistive Speicherzelle als auch die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die magnetoresistiven Speicherzellen, wobei der vierte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom beziehungsweise der zweite Schreib-Strom ist, wobei der vierte Schreibstrom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist jede erste Zellen-Steuer-Leitung eine Wort-Leitung auf.
Gemäß noch einer Ausgestaltung weist ferner jede zweite Zellen-Steuer-Leitung eine Wort-Leitung auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann ferner ein Computerprogramm-Produkt zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle vorgesehen sein, wobei das Computerprogramm-Produkt, wenn es von einem Rechner ausgeführt wird, Code enthält, um die Durchführung einer Mehrzahl von Programmier-Schritten zu verursachen, wobei die Programmier-Schritte aufweisen: Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines ersten Programmierwertes in die erste magnetoresistive Speicherzelle; Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines zweiten Programmierwertes in die zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei der zweite Programmierwert sich von dem ersten Programmierwert unterscheidet; Ermitteln, ob die magnetoresistiven Speicherzellen ein Programmier-Kriterium erfüllen; und wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle und/oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die erste und zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei der dritte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der dritte Schreib-Strom über eine erste Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird, und Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die erste und zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei der vierte Schreib-Strom höher oder niedriger als das erste Magnetfeld oder das zweite Magnetfeld ist, wobei der vierte Schreib-Strom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf die gleichen Teile durch die verschiedenen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu, stattdessen liegt der Schwerpunkt im Allgemeinen darauf, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben.
Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht eines MRAM-Arrays gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht einer MRAM-Array-Anordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
3A bis 3C ein Ablaufdiagram, das ein Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung mittels des Stoner-Wohlfarth-Schaltens darstellt; und
4 ein Ablaufdiagramm, das ein verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung mittels eines Rotations-Typ-Schaltens darstellt.
Um die Magnetisierungs-Richtung der freien Schicht einer bestimmten Zelle umzuschalten, werden Ströme durch die Bit-Leitung und die Wort-Leitung angelegt, die sich an der Zelle überschneiden. Die Richtung dieser Ströme bestimmt die Richtung, in der die Magnetisierung der freien Schicht eingestellt wird. Die kombinierte Stärke der Ströme durch die Wort-Leitungen und die Bit-Leitungen muss ausreichen, um an ihrem Kreuzungspunkt ein Magnetfeld zu erzeugen, das stark genug ist, um die Magnetisierungs-Richtung der freien Schicht umzuschalten.
Für einen Schalt-Typ, der als Stoner-Wohlfahrt-Schalten bekannt ist, ist die magnetische Ausrichtung der freien und festgelegten Schichten in der gleichen Richtung (parallel oder antiparallel), wie die Richtung des Bit-Leitungs-Feldes. Somit bestimmt die Richtung des Stroms durch die Bit-Leitung, ob eine logische ”0” oder ”1” in die Zelle geschrieben wird, während die Richtung des Stroms durch die Wort-Leitung nicht zu variieren braucht.
Für eine Art von Schalten, das als Rotations-Schalten (auch als Toggle-Schalten bezeichnet) bekannt ist, wird die magnetische Ausrichtung der freien Schicht und der festgelegten Schicht in einem 45°-Winkel in Bezug auf die Richtungen der Bit-Leitung und der Wort-Leitung gedreht. Um eine logische ”0” oder ”1” zu schreiben, wird die Zelle zuerst gelesen. Ströme werden nur durch die Bit-Leitung und die Wort-Leitung angelegt, wenn die Zelle nicht bereits in dem gewünschten Zustand ist. Die Richtungen des Stroms durch die Bit-Leitung und die Wort-Leitung bleiben immer gleich, und verursachen, dass der in die Zelle geschriebene logische Wert hin- und hergeschaltet (getoggelt) wird. Wenn also die Zelle eine ”0” enthält, dann führt das Anlegen von Strom an die Bit-Leitung und die Wort-Leitung dazu, dass sie auf ”1” umschaltet, und wenn die Zelle ”1” enthält, dann verursacht das Anlegen von Strom, dass sie auf ”0” umschaltet.
Eine Schwierigkeit mit derzeitigen MRAM-Vorrichtungen betrifft den Strom, der verwendet wird, um in die Speicherzellen zu schreiben. Da die MTJs in einem MRAM-Speicher-Array mittels der Magnetfelder der Wort-Leitungen und Bit-Leitungen programmiert werden, kann die Anwesenheit von Streuverlusten oder Fremdfeldern während des Schreib-Vorgangs dazu führen, dass die falsche Information in die Speicherzellen geschrieben wird. Wenn der Schreib-Strom in den Bit-Leitungen und/oder den Wort-Leitungen zu niedrig ist, können solche magnetischen Fremdfelder das Schreiben eines Werts in eine Zelle stören oder dazu führen, dass der falsche Wert geschrieben wird.
Des Weiteren kann der Schreib-Strom, der benötigt wird, um Daten in Zellen in einem MRAM-Array zu schreiben, aufgrund von Herstellungsbedingungen variieren. Zum Beispiel kann selbst eine relativ leichte Offset-Verschiebung während der Herstellung dazu führen, dass die Zellen einen höheren Schreib-Strom benötigen, da sie nicht richtig zwischen den Bit-Leitungen und den Wort-Leitungen ausgerichtet sein werden. Dies kann selbstverständlich dadurch gelöst werden, dass Vorrichtungen, die diesen Herstellungsfehler aufweisen, entsorgt werden, dies würde jedoch den Ertrag verringern, wodurch die durchschnittlichen Kosten von MRAM-Vorrichtungen ansteigen würden. Andere Effekte, wie zum Beispiel elektrische und magnetische Effekte im Chip, können ebenfalls dazu führen, dass manche Zellen in dem Array höheren Schreib-Strom benötigen als andere.
Eine Lösung könnte darin bestehen, einen relativ hohen Schreib-Strom zu verwenden, der ausreicht, um trotz Fremdfeldern, Herstellungsproblemen, usw. in jegliche der Speicherzellen zu schreiben. Leider scheitert diese Lösung, da zahlreiche Schwierigkeiten auftreten können, wenn zu viel Schreib-Strom entweder auf die Bit-Leitung oder auf die Wort-Leitung angelegt wird. Erstens wird, wenn zu viel Strom angelegt wird, das Feld zu stark sein und die Zelle könnte nicht zuverlässig umschalten. Selbst wenn der Schreib-Strom niedrig genug ist, um eine Zelle zuverlässig umzuschalten, kann das erzeugte Feld ausreichen, um versehentlich Speicherzellen neben der Zelle, die umgeschaltet werden soll, umzuschalten. Des Weiteren kann das Magnetfeld der Bit-Leitung und/oder Wort-Leitung ausreichen, um manche der Zellen entlang dieser Leitung umzuschalten, wenn der Strom auf der Bit-Leitung oder der Wort-Leitung hoch genug ist, sogar wenn kein Feld einer kreuzenden Leitung vorhanden ist.
Was auf dem Gebiet benötigt wird, ist eine Art, einen Schreib-Strom an jede Zelle in einem MRAM-Array anzulegen, der ausreicht, um einen Wert in die Zelle zu schreiben, während die Anwesenheit eines Fremdfeldes kompensiert und die von dem MRAM-Array verwendeten Art des Schaltens berücksichtigt wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt ein Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle bereit. Ein erstes Magnetfeld wird auf die magnetoresistive Speicherzelle angelegt. Es wird ermittelt, ob die magnetoresistive Speicherzelle ein Programmier-Kriterium erfüllt. In dem Fall, dass die magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wird ein zweites Magnetfeld, das höher oder niedriger als das erste Magnetfeld ist, auf die magnetoresistive Speicherzelle angelegt. Anschließend wird ermittelt, ob die magnetoresistive Speicherzelle ein Programmier-Kriterium erfüllt. Das Magnetfeld wird verstärkt oder verringert, wenn die magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, bis die magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium erfüllt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle bereitgestellt, aufweisend: Anlegen eines ersten Schreib-Stroms auf die magnetoresistive Speicherzelle und Ermitteln, ob die magnetoresistive Speicherzelle ein Programmier-Kriterium erfüllt; in dem Fall, dass die magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, Anlegen eines zweite Schreib-Stroms auf die magnetoresistive Speicherzelle, der höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom ist. Das Ermitteln, ob die magnetoresistive Speicherzelle ein Programmier-Kriterium erfüllt und Verstärken oder Verringern des Schreib-Stroms in dem Fall, dass die magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wird wiederholt, bis die magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium erfüllt.
Das Programmieren kann mittels eines Stoner-Wohlfarth-Schaltmechanismus erfolgen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Programmieren mittels des Rotations-Schaltmechanismus erfolgen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Programmieren von magnetoresistiven Speicherzellen bereitgestellt, aufweisend: Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle, um einen ersten Programmier-Wert in die erste magnetoresistive Speicherzelle zu schreiben, Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle, um einen zweiten Programmier-Wert in die zweite magnetoresistive Speicherzelle zu schreiben, wobei der zweite Programmier-Wert sich von dem ersten Programmier-Wert unterscheidet, und Ermitteln, ob die magnetoresistiven Speicherzellen ein Programmier-Kriterium erfüllen; in dem Fall, dass die erste magnetoresistive Speicherzelle oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die jeweilige magnetoresistive Speicherzelle, der höher oder niedriger als das erste Magnetfeld beziehungsweise das zweite Magnetfeld ist, wobei der dritte Schreibstrom über eine erste Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird, die der Schreib-Richtung der scheiternden magnetoresistiven Speicherzelle entspricht; in dem Fall, dass die erste magnetoresistive Speicherzelle und die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die entsprechende magnetoresistive Speicherzelle, der höher oder niedriger als das erste beziehungsweise das zweite Magnetfeld ist, wobei der vierte Schreib-Strom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.
Die erste Zellen-Steuer-Leitung kann die Bit-Leitung der entsprechenden magnetoresistiven Speicherzelle sein. Die zweite Zellen-Steuer-Leitung kann die Wort-Leitung der entsprechenden magnetoresistiven Speicherzelle sein.
In einer Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung wird das Programmieren mittels des Stoner-Wohlfarth-Schaltmechanismus durchgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Programmieren magnetoresistiver Speicherzellen bereitgestellt, aufweisend: Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines ersten Programmier-Wertes in die erste magnetoresistive Speicherzelle, Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines zweiten Programmier-Wertes in die zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei der zweite Programmier-Wert sich von dem ersten Programmier-Wert unterscheidet, und Ermitteln, ob die magnetoresistiven Speicherzellen ein Programmier-Kriterium erfüllen. In dem Fall, dass die erste magnetoresistive Speicherzelle oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle oder beide magnetoresistiven Speicherzellen das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die entsprechende magnetoresistive Speicherzelle, der höher oder niedriger als das erste beziehungsweise das zweite Magnetfeld ist, wobei der dritte Schreib-Strom über eine erste Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird, und Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die entsprechende magnetoresistive Speicherzelle, der höher oder niedriger als das erste Magnetfeld beziehungsweise das zweite Magnetfeld ist, wobei der vierte Schreib-Strom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.
Die erste Zellen-Steuer-Leitung kann die Bit-Leitung der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle sein. Die zweite Zellen-Steuer-Leitung kann die Wort-Leitung der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle sein.
In einer Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung kann das Programmieren mittels des Rotations-Schalt-Mechanismus erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine magnetoresistive Speicherzellen-Anordnung bereitgestellt, die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle, eine Programmier-Steuereinheit und ein erstes an die magnetoresistive Speicherzelle angelegtes Magnetfeld aufweist. Es wird ermittelt, ob die magnetoresistive Speicherzelle ein Programmier-Kriterium erfüllt. In dem Fall, dass die magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wird ein zweites Magnetfeld an die magnetoresistive Speicherzelle angelegt, das höher oder niedriger als das erste Magnetfeld ist. Das Ermitteln, ob die magnetoresistive Speicherzelle ein Programmier-Kriterium erfüllt und das Verstärken oder Verringern des Magnetfeldes in dem Fall, dass die magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wird wiederholt, bis die magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium erfüllt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine magnetoresistive Speicherzellen-Anordnung bereitgestellt, die ein Array einer Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen aufweist, wobei jede magnetoresistive Speicherzelle mit einer jeweiligen ersten Zellen-Steuer-Leitung und einer jeweiligen zweiten Steuer-Leitung gekoppelt ist. Eine Programmier-Steuer-Einheit ist mit den ersten Zellen-Steuer-Leitungen und den zweiten Steuerleitungen gekoppelt. Ein erster Schreib-Strom wird an eine erste magnetoresistive Speicherzelle angelegt, um einen ersten Programmier-Wert in die erste magnetoresistive Speicherzelle zu schreiben. Ein zweiter Schreib-Strom wird an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle angelegt, um einen zweiten Programmier-Wert in die zweite magnetoresistive Speicherzelle zu schreiben, wobei sich der zweite Programmier-Wert von dem ersten Programmierwert unterscheidet. Es wird ermittelt, ob die magnetoresistiven Speicherzellen ein Programmier-Kriterium erfüllen. In dem Fall, dass die erste magnetoresistive Speicherzelle oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wird ein dritter Schreib-Strom an die entsprechende magnetoresistive Speicherzelle angelegt, der höher oder niedriger als das erste Magnetfeld beziehungsweise das zweite Magnetfeld ist, wobei der dritte Schreibstrom über eine erste Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird, die der Schreib-Richtung der versagenden magnetoresistiven Speicherzelle entspricht. In dem Fall, dass die erste magnetoresistive Speicherzelle und die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, wird ein vierter Schreib-Strom an die entsprechende magnetoresistive Speicherzelle angelegt, der höher oder niedriger als das erste Magnetfeld beziehungsweise das zweite Magnetfeld ist, wobei der vierte Schreib-Strom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.
Die erste Zellen-Steuer-Leitung kann die Bit-Leitung der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle sein und die zweite Zellen-Steuer-Leitung kann die Wort-Leitung der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle sein.
Ferner werden Computer-Programm-Produkte zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle oder zum Programmieren von magnetoresistiven Speicherzellen bereitgestellt, die, wenn sie von einem Rechner ausgeführt werden, die jeweiligen Merkmale der wie oben beschriebenen und im Folgenden noch im Einzelnen erläuterten Verfahren aufweisen.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer MRAM-Zelle 100 mit einer Bit-Leitung 102, die in einer orthogonalen Richtung zu einer Wort-Leitung 104 in benachbarten Metallisierungs-Schichten angeordnet ist. Ein magnetischer Speicherstapel 106 ist zwischen der Bit-Leitung 102 und der Wort-Leitung 104 (zusammengefasst Schreib-Leitung) an Positionen angeordnet, wo eine Bit-Leitung 102 eine Wort-Leitung 104 kreuzt, und der in manchen Ausführungsformen mit der Bit-Leitung 102 und der Wort-Leitung 104 elektrisch gekoppelt ist. Der magnetische Speicherstapel 106 ist beispielsweise ein magnetischer Tunnelübergang (MTJ), der Mehrfach-Schichten einschließlich einer freien Schicht 108, einer Tunnelschicht 110 und einer festgelegten Schicht 112 aufweist. Die freie Schicht 108 und die festgelegte Schicht 112 weisen zum Beispiel eine Mehrzahl von (nicht dargestellten) magnetischen Metallschichten auf. Diese magnetischen Metallschichten können zum Beispiel acht bis zwölf Schichten aus Materialien wie zum Beispiel PtMn, CoFe, Ru und NiFe aufweisen. Die Tunnelschicht 110 weist einen Nichtleiter, zum Beispiel Al₂O₃ auf.
Die festgelegte Schicht 112 ist zum Beispiel in einer festgelegten Richtung magnetisiert, während die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 108 umgeschaltet werden kann, wodurch der Widerstand des magnetischen Speicherstapels 106 verändert wird. Ein Bit einer digitalen Information kann in einem magnetischen Speicherstapel 106 gespeichert werden, indem ein Strom durch die Bit-Leitung 102 und die Wort-Leitung 104 geleitet wird, die sich an dem magnetischen Speicherstapel 106 überschneiden, wodurch ein ausreichendes Magnetfeld erzeugt wird, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 108 einzustellen. Information kann aus einem magnetischen Speicherstapel 106 gelesen werden, indem eine Spannung über den magnetischen Speicherstapel angelegt und der Widerstand gemessen wird. Wenn die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 108 parallel zu der Richtung der Magnetisierung der festgelegten Schicht 112 ist, dann ist der gemessene Widerstand niedrig, und stellt für das Bit einen Wert ”0” dar. Wenn die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 108 antiparallel zu der Richtung der Magnetisierung der festgelegten Schicht 112 ist, dann ist der Widerstand hoch und stellt einen Wert ”1” dar.
Abhängig von dem verwendeten Schalt-Typ kann das Schreib-Verfahren variiert werden. Wenn ein Stoner-Wohlfahrt-Schalten angewendet wird, dann wird die Richtung des Stroms auf der Bit-Leitung 102 den Wert bestimmen, der geschrieben wird.
Wenn ein Rotations-Modus-Schalten (auch als Toggle-Modus-Schalten bezeichnet) angewendet wird, dann muss erst der bereits in einem magnetischen Speicherstapel 106 gespeicherte Wert gelesen werden. Wenn der Wert bereits der gleiche ist, wie der zu schreibende Wert, dann erfolgt keine Aktion. Andernfalls, wenn der Wert verändert werden muss, wird Strom in einer festgelegten Richtung auf der Wort-Leitung 104 und der Bit-Leitung 102 angelegt, um den in dem magnetischen Speicherstapel 106 gespeicherten Wert zu toggeln.
Es wird angemerkt, dass die in 1 gezeigte Darstellung vereinfacht ist, und dass tatsächliche MRAM-Vorrichtungen zusätzliche Komponenten aufweisen können. Bei manchen MRAM-Ausführungen ist der magnetische Speicherstapel 106 zur Isolierung zum Beispiel mit der Bit-Leitung 102 und mit einem (nicht dargestellten) Transistor gekoppelt, anstatt sowohl mit der Bit-Leitung 102 als auch mit der Wort-Leitung 104 gekoppelt zu sein. Es wird ferner angemerkt, dass die in 1 gezeigte Darstellung lediglich einen kleinen Abschnitt einer tatsächlichen MRAM-Vorrichtung darstellt. Abhängig von der Organisation und der Speicherkapazität der Vorrichtung kann es Hunderte oder Tausende Bit-Leitungen und Wort-Leitungen in einem Speicher-Array geben. Eine 1 Mb-MRAM-Vorrichtung (d. h. eine MRAM-Vorrichtung, die ungefähr eine Million Daten-Bits speichert) kann zum Beispiel zwei Arrays aufweisen, wovon jedes 1024 Wort-Leitungen und 512 Bit-Leitungen aufweist. Des Weiteren kann es in manchen MRAM-Vorrichtungen Mehrfach-Schichten von magnetischen Speicherstapeln geben, in welchen Schichten Bit-Leitungen oder Wort-Leitungen teilen können.
2 zeigt eine MRAM-Vorrichtung 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die MRAM-Vorrichtung 200 weist ein MRAM-Zellen-Array 202 mit einer Vielzahl von wie in 1 dargestellten MRAM-Zellen 100 auf, die, wie oben beschrieben, über Bit-Leitungen 102 und Wort-Leitungen 104 miteinander gekoppelt sind. Die Bit-Leitungen 102 und die Wort-Leitungen 104 sind mit einer Schreib-Schaltung gekoppelt, die auch als eine Programmier-Steuer-Einheit 204 bezeichnet wird, die die nötigen Schritte zum Schreiben von Daten in die MRAM-Zellen 100 des MRAM-Zellen-Arrays 202 durchführt. Mit anderen Worten, die Programmier-Steuer-Einheit 204 führt die Schritte zum Programmieren der MRAM-Zellen 100 des MRAM-Zellen-Arrays 202 durch. Ferner weist die MRAM-Vorrichtung 200 eine Lese-Schaltung 206 zum Lesen von in einer MRAM-Zelle 100 des MRAM-Zellen-Arrays 202 gespeicherten Daten aus der entsprechenden MRAM-Zelle 100 auf. Die Lese-Schaltung 206 ist in einer üblichen Weise konfiguriert und wird aus diesem Grund nicht ausführlicher beschrieben werden. Ferner wird ein Vergleicher 208 bereitgestellt, um das Datenelement, das in einer jeweiligen MRAM-Zelle 100 gespeichert ist, mit dem Datenelement zu vergleichen, das aktuell während des Schreib-Vorgangs in der MRAM-Zelle 100 gespeichert werden soll. Der Vergleicher 208 und die Lese-Schaltung 206 sind mit einer Eingangs-/Ausgangs-Schnittstelle 210 gekoppelt, über die Daten 212 in die MRAM-Vorrichtung 200 eingegeben oder aus der MRAM-Vorrichtung 200 ausgegeben werden können. Ferner ist zumindest ein Eingang des Vergleichers 208 mit zumindest einem Ausgang der Lese-Schaltung 206 gekoppelt, so dass ein tatsächlich gemessener Wert einer jeweils adressierten MRAM-Zelle mit dem gewünschten Wert, mit dem die MRAM-Zelle programmiert werden soll, mittels eines Vergleichers 208 verglichen werden kann.
3A und 3B zeigen ein Ablaufdiagramm 300, das ein Verfahren zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung mittels des Stoner-Wohlfarth-Schalt-Typs darstellt. Das Verfahren wird mittels der Programmier-Steuer-Einheit 204, der Lese-Schaltung 206 und des Vergleichers 208 implementiert.
Wie in 3A dargestellt, wird das Verfahren in 302 gestartet, wenn ein erstes Datenelement (eine logische ”0”) in eine bestimmte erste MRAM-Zelle des MRAM-Zellen-Arrays 202 geschrieben werden soll, und wenn ein zweites Datenelement (eine logische ”1”) in eine bestimmte zweite MRAM-Zelle des MRAM-Zellen-Arrays 202 geschrieben werden soll.
Dann wird ein erster Schreib-Strom, der normalerweise zum Schreiben einer logischen ”0” in die erste MRAM-Zelle vorgesehen ist, an die erste MRAM-Zelle in 304 angelegt. Das Anlegen des ersten Schreib-Stroms beinhaltet das Anlegen eines Wort-Leitungs-Strom und eines ersten Bit-Leitungs-Stroms an die erste MRAM-Zelle, mit anderen Worten, an die erste Wort-Leitung und die erste Bit-Leitung, die mit der ersten MRAM-Zelle gekoppelt sind.
Anschließend wird ein zweiter Schreib-Strom, der normalerweise zum Schreiben einer logischen ”1” in die zweite MRAM-Zelle vorgesehen ist, in 306 an die zweite MRAM-Zelle angelegt. Das Anlegen des zweiten Schreib-Stroms weist das Anlegen des Wort-Leitungs-Stroms und eines zweiten Bit-Leitungs-Stroms an die zweite MRAM-Zelle auf, mit anderen Worten an die zweite Wort-Leitung und die zweite Bit-Leitung, die mit der zweiten MRAM-Zelle gekoppelt sind.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung werden 304 und 306 gleichzeitig durchgeführt. Mit anderen Worten wird eine Mehrzahl von Bit-Leitungen gleichzeitig aktiviert. Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von Speicherzellen zur gleichen Zeit programmiert werden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der erste Bit-Leitungsstrom dazu verwendet, eine logische ”0” (die erste Bit-Leitung verläuft in einer ersten Richtung) in eine erste Speicherzelle zu programmieren, und ein zweiter Bit-Leitungsstrom wird dazu verwendet, eine logische ”1” (die zweite Bit-Leitung verläuft in einer zweiten Richtung, wobei die zweite Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist) in eine zweite Speicherzelle zu programmieren. Mit anderen Worten werden 304 und 306 in einer Ausführungsform der Erfindung gleichzeitig mittels des gleichen Wort-Leitungs-Stroms durchgeführt.
Anschließend wird gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung mittels der Lese-Schaltung 206 und des Vergleichers 208 bestimmt, ob das Programmieren (d. h. der Schreib-Vorgang) einer logischen ”0” der ersten MRAM-Zelle gescheitert ist oder erfolgreich war (Vorgang 308). Dieser Vorgang wird ausgeführt, indem der tatsächliche Widerstandswert der ersten MRAM-Zelle, der den in der ersten MRAM-Zelle gespeicherten logischen Wert darstellt, mit dem Widerstands-Wert verglichen wird, der den logischen Wert darstellen würde, der in der ersten MRAM-Zelle während des Schreib-Vorgangs gespeichert werden soll.
In dem Fall, dass das Programmieren der logischen ”0” der ersten MRAM-Zelle gescheitert ist (”Ja” in 308), wird wieder mittels des Vergleichers 208 ermittelt, ob das Programmieren (d. h. der Schreib-Vorgang) einer logischen ”1” der zweiten MRAM-Zelle gescheitert ist oder erfolgreich war (Vorgang 310). Dieser Vorgang wird ausgeführt, indem der tatsächliche Widerstandswert der zweiten MRAM-Zelle, der den logischen Wert darstellt, der in der zweiten MRAM-Zelle gespeichert ist, mit dem Widerstands-Wert verglichen wird, der den logischen Wert darstellen würde, der in der zweiten MRAM-Zelle während des Schreib-Vorgangs gespeichert werden soll.
In dem Fall, dass das Programmieren der logischen ”1” der zweiten MRAM-Zelle auch gescheitert ist (”Ja” in 310), wird der erste Wort-Leitungs-Strom um eine vorbestimmte Menge erhöht (Vorgang 312).
In einem darauf folgenden Vorgang (Vorgang 316) wird ein erhöhter erster Schreib-Strom an eine erste MRAM-Zelle angelegt, so dass eine logische ”0” programmiert wird. Das Anlegen des erhöhten ersten Schreib-Stroms schließt das Anlegen des erhöhten Wort-Leitungs-Stroms und des ersten Bit-Leitungs-Stroms an die erste MRAM-Zelle, mit anderen Horten an die erste Wort-Leitung und die erste Bit-Leitung, die mit der ersten MRAM-Zelle gekoppelt sind, mit ein. Mit anderen Worten wird ein weiterer Schreib-Versuch, um eine logische ”0” zu programmieren mittels eines erhöhten Wortleitungs-Stroms durchgeführt, um die erste MRAM-Zelle zu programmieren.
Anschließend wird in 318 ein erhöhter zweiter Schreib-Strom an die zweite MRAM-Zelle angelegt, um eine logische ”1” zu programmieren. Das Anlegen des erhöhten zweiten Schreib-Stroms schließt das Anlegen des erhöhten Wort-Leitungsstroms und des anfänglichen zweiten Bit-Leitungs-Stroms an die zweite MRAM-Zelle, mit anderen Worten an die zweite Wort-Leitung und die zweite Bit-Leitung, die mit der zweiten MRAM-Zelle gekoppelt sind mit ein. Mit anderen Worten wird ein weiterer Schreib-Versuch, eine logische ”1” zu programmieren, mittels eines erhöhten Wort-Leitungs-Stroms durchgeführt, um die zweite MRAM-Zelle zu programmieren.
Das Verfahren geht dann zu 308 zurück.
Nun wird unter erneuter Bezugnahme auf 310 der erste Bit-Leitungs-Strom um eine vorbestimmte Menge (Vorgang 320) (siehe 3B) erhöht, wenn das Programmieren einer logischen ”1” der zweiten MRAM-Zelle nicht gescheitert ist (”Nein” in Schritt 310), mit anderen Worten, wenn nur das Programmieren einer logischen ”0” der ersten MRAM-Zelle gescheitert ist.
In einem darauf folgenden Vorgang (Vorgang 322) wird ein erhöhter erster Schreib-Strom an die erste MRAM-Zelle angelegt, um eine logische ”0” zu programmieren. Das Anlegen des erhöhten ersten Schreib-Stroms weist in diesem Fall das Anlegen des Wort-Leitungs-Stroms und des erhöhten ersten Bit-Leitungs-Stroms an die erste MRAM-Zelle auf, um eine logische ”0” zu programmieren. Mit anderen Worten wird ein weiterer Schreib-Versuch durchgeführt, eine logische ”0” zu programmieren, mittels eines erhöhten Bit-Leitungs-Stroms, um die erste MRAM-Zelle zu programmieren.
Das Verfahren geht zurück zu 308.
Nun wird unter erneuter Bezugnahme auf 308 wieder mittels der Lese-Schaltung 206 und des Vergleichers 208 in dem Fall, dass das Programmieren einer logischen ”0” der ersten MRAM-Zelle nicht gescheitert ist (”Nein” in 308), mit anderen Worten in dem Fall, dass das Programmieren einer logischen ”0” der ersten MRAM-Zelle erfolgreich war, ermittelt, ob das Programmieren (d. h. der Schreib-Vorgang) einer logischen ”1” der zweiten MRAM-Zelle gescheitert ist oder erfolgreich war (Vorgang 324). Dieser Vorgang wird durchgeführt, indem der tatsächliche Widerstandswert der zweiten MRAM-Zelle, der den logischen Wert darstellt, der in der zweiten MRAM-Zelle gespeichert ist, mit dem Widerstandswert verglichen wird, der den logischen Wert darstellen würde, der in der zweiten MRAM-Zelle während des Schreib-Vorgangs gespeichert werden sollte.
In dem Fall, dass das Programmieren einer logischen ”1” der zweiten MRAM-Zelle gescheitert ist (”Ja” in 324), mit anderen Worten in dem Fall, dass nur das Programmieren einer logischen ”1” der zweiten MRAM-Zelle gescheitert ist, wird der zweite Bit-Leitungs-Strom um eine vorbestimmte Menge erhöht (Vorgang 326) (siehe 3C).
In einem darauf folgenden Vorgang (Vorgang 328) wird ein erhöhter zweiter Schreib-Strom an die zweite MRAM-Zelle angelegt. Das Anlegen des erhöhten zweiten Schreib-Stroms weist in diesem Fall das Anlegen des Wort-Leitungs-Stroms und des erhöhten zweiten Bit-Leitungs-Stroms an die zweite MRAM-Zelle auf, um eine logische ”1” zu programmieren. Mit anderen Worten wird ein weiterer Schreib-Versuch, eine logische ”1” zu programmieren, mittels eines erhöhten Bit-Leitungs-Stroms durchgeführt, um die zweite MRAM-Zelle mit einer logischen ”1” zu programmieren.
Das Verfahren geht zurück zu 308.
In dem Fall, dass das Programmieren einer logischen ”1” der zweiten MRAM-Zelle nicht gescheitert ist (”Nein” in 324), mit anderen Worten in dem Fall, dass das Programmieren einer logischen ”1” der zweiten MRAM-Zelle ebenfalls erfolgreich war, wird das Programmier-Verfahren in einem End-Vorgang 330 vollendet.
Mit anderen Worten wird bei einem Stoner-Wohlfahrt-Schalt-Typ einer MRAM-Zelle, wenn sowohl das Schreiben einer logischen ”0” als auch das Schreiben einer logischen ”1” während eines Schreib-Vorgangs scheitern, der Wort-Leitungs-Strom der Wort-Leitung, mit der die jeweiligen MRAM-Zellen gekoppelt sind, erhöht. Wenn lediglich das Schreiben einer logischen ”0” oder das Schreiben einer logischen ”1” während des Schreib-Vorgangs scheitert, wird der Bit-Leitungs-Strom der Bit-Leitung, mit der die jeweilige MRAM-Zelle gekoppelt ist, entsprechend der Schreib-Richtung der scheiternden logischen ”0” bzw. ”1” erhöht.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm 400, das das verfahren des Programmierens einer magnetoresistiven Speicherzelle gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung mittels des Rotations-Schalt-Typs darstellt. Das Verfahren wird mittels der Programmier-Steuer-Einheit 204, der Lese-Schaltung 206 und des Vergleichers 208 implementiert.
Wie in 4 dargestellt, wird das Verfahren in Schritt 402 gestartet, wenn ein Datenelement (eine logische ”0” oder eine logische ”1”) in eine bestimmte MRAM-Zelle des MRAM-Zellen-Arrays 202 geschrieben werden soll.
Anschließend wird ein Schreib-Strom, der normalerweise zum Schreiben einer logischen ”0” bzw. einer logischen ”1” in die ausgewählte MRAM-Zelle vorgesehen ist, an die MRAM-Zelle angelegt (Schritt 404). Das Anlegen des Schreib-Stroms weist das Anlegen eines Wort-Leitungs-Stroms und eines Bit-Leitungs-Stroms an die MRAM-Zelle auf, mit anderen Worten an die Wort-Leitung und die Bit-Leitung, die mit der MRAM-Zelle gekoppelt sind.
Als nächstes wird gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung mittels der Lese-Schaltung 206 und des Vergleichers 208 ermittelt, ob das Programmieren (d. h. der Schreib-Vorgang) der MRAM-Zelle gescheitert ist oder erfolgreich war (Schritt 406). Dieser Schritt wird dadurch durchgeführt, dass der tatsächliche Widerstandswert der MRAM-Zelle, der den logischen Wert darstellt, der in der MRAM-Zelle gespeichert ist, mit dem Widerstandswert verglichen wird, der den logischen Wert darstellen würde, der in der MRAM-Zelle während des Schreib-Vorgangs gespeichert werden sollte.
In dem Fall, dass das Programmieren der ersten MRAM-Zelle gescheitert ist (”Ja” in Schritt 406), wird der Wort-Leitungs-Strom um eine vorbestimmte Menge erhöht (Schritt 408). Ferner wird auch der Bit-Leitungs-Strom um eine vorbestimmte Menge erhöht, welche die gleiche Menge oder eine andere Menge als die Menge sein kann, um die der Wort-Leitungs-Strom erhöht wird (Schritt 410).
In einem darauf folgenden Schritt (Schritt 412) wird ein erhöhter Schreib-Strom an die entsprechende MRAM-Zelle angelegt. Das Anlegen des erhöhten Schreib-Stroms weist das Anlegen des erhöhten Wort-Leitungs-Stroms und des erhöhten Bit-Leitungs-Stroms an die MRAM-Zelle auf, mit anderen Worten, an die Wort-Leitung und die Bit-Leitung, die mit der MRAM-Zelle gekoppelt sind. Mit anderen Worten wird ein weiterer Schreib-Versuch mittels eines erhöhten Wort-Leitungs-Stroms und eines erhöhten Bit-Leitungs-Stroms durchgeführt, um die MRAM-Zelle zu programmieren.
In dem Fall, dass das Programmieren der ersten MRAM-Zelle nicht gescheitert ist (”Nein” in Schritt 406), mit anderen Worten in dem Fall, dass das Programmieren der MRAM-Zelle erfolgreich war, wird das Programmierverfahren in einem End-Schritt 414 vollendet.
Mit anderen Worten werden bei einem Rotations-Schalt-Typ einer MRAM-Zelle sowohl der Wort-Leitungs-Strom der Wort-Leitung als auch der Bit-Leitungs-Strom der Bit-Leitung, mit denen die entsprechende MRAM-Zelle gekoppelt ist, erhöht, wenn das Schreiben einer logischen ”0” oder einer logischen ”1” während des Schreib-Vorgangs scheitert.
Die oben beschriebenen Verfahren sind iterative Verfahren, die die entsprechenden Ströme (und dadurch die entsprechend angelegten Magnetfelder) Schritt für Schritt erhöhen, bis das Programmieren der jeweiligen MRAM-Zelle(n) erfolgreich ist. Mit anderen Worten werden die Schreib-Schaltkreise im Fall eines Fehlers den Programmier-Schreib-Strom anpassen, und Daten werden wieder geschrieben, gelesen und verglichen, bis die Daten korrekt in die entsprechende MRAM-Zelle programmiert sind. In einer Ausführungsform der Erfindung werden ankommende, in den Speicherbereich (d. h. das MRAM-Zellen-Array 202) zu schreibende Daten nach Vollendung des ersten Schreib-Vorgangs sofort wieder gelesen und in dem Vergleicher 208 mit dem zu schreibenden Wert verglichen. Für die dargestellt Anpassungs-Technik ist es vorgesehen, dass der Speicherbereich während eines Schreib-Zyklus mit einem logischen ”0”-Bit und einem logischen ”1”-Bit beschrieben wird.
Zusätzlich zum Kompensieren eines extern angelegten Störfeldes werden die dargestellten Verfahren auch die Array-Auslastung durch automatisches Korrigieren unvollkommener Zellen verbessern, die während der Herstellung einer Offset-Verschiebung ausgesetzt waren.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 weist die MRAM-Vorrichtung 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ferner einen Magnetfeld-Sensor 214 auf, von dem ein Ausgang mit einem Eingang der Programmier-Steuer-Einheit 204 gekoppelt ist. Der Magnetfeld-Sensor 214 ist so konfiguriert, dass er die Stärke des externen Magnetfeldes misst. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann eine Vielzahl von Magnetfeld-Sensoren vorgesehen sein, zum Beispiel zwei Magnetfeld-Sensoren, die im Verhältnis zueinander orthogonal ausgerichtet sind. In diesem Fall sind die beiden Magnetfeld-Sensoren in der Lage, zusätzlich zu der externen Magnetfeld-Stärke Information über die Ausrichtung des externen Magnetfeldes bereitzustellen, die für eine individuelle Anpassung des Wort-Leitungs-Stroms und der Bit-Leitungs-Ströme verwendet werden kann.
Für ein bestimmtes magnetisches Programmier-Feld, das von den Strömen erzeugt wird, die durch die Wort-Leitung und die Bit-Leitung fließen, können die Speicherzellen irrtümlich sowohl mit einem zu kleinen Magnet-Fremdfeld als auch mit einem zu hohen externen Magnet-Fremdfeld programmiert werden. Auf der Grundlage der Ausgabe des Magnetfeld-Sensors 214 oder der Magnetfeld-Sensoren kann der Strom, der durch die Wort-Leitung bzw. die Bit-Leitungen fließt, sowohl erhöht als auch verringert werden (mit anderen Worten können der Wort-Leitungs-Strom und die Bit-Leitungs-Ströme sowohl erhöht als auch verringert werden). Das Verringern kann zum Beispiel in dem Fall vorgesehen sein, dass während des Betriebs der MRAM-Vorrichtung 200 eine Vergrößerung der Magnet-Fremdfeld-Stärke im Vergleich zu einer anfänglichen Magnet-Fremdfeld-Stärke erfasst wird, die in einer Initialisierungs-Phase der MRAM-Vorrichtung 200 oder nach einem vorbestimmten Re-Kalibrierungs-Zeitraum gemessen wird. Das Verfahren beim Verringern der Ströme (Wort-Leitungs-Strom und Bit-Leitungs-Ströme) ist analog zu den Ausführungsformen, in denen eine Erhöhung der Ströme (Wort-Leitungs-Strom und Bit-Leitungs-Ströme) vorgesehen ist, nur mit umgekehrtem Vorzeichen.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren für eine aktive Schreib-Anpassung in einem MRAM bereitgestellt, zum Beispiel ein Verfahren zur aktiven Schreib-Anpassung in einem MRAM des Stoner-Wohlfahrt-Schalttyp, oder ein Verfahren zur aktiven Schreib-Anpassung in einem MRAM des Rotations-Schalt-Typs.

Claims

Verfahren zum Programmieren von magnetoresistiven Speicherzellen, wobei das Verfahren aufweist: • Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle, zum Schreiben eines ersten Programmierwertes in die erste magnetoresistive Speicherzelle; • Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle, zum Schreiben eines zweiten Programmierwertes in die zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei sich der zweite Programmierwert von dem ersten Programmierwert unterscheidet; • Ermitteln, ob die magnetoresistiven Speicherzellen ein Programmier-Kriterium erfüllen; • wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die magnetoresistive Speicherzelle, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wobei der dritte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der dritte Schreib-Strom über eine erste Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird, die einer Schreib-Richtung der magnetoresistiven Speicherzelle entspricht, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt; und • wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle und die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die magnetoresistive Speicherzelle, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wobei der vierte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der vierte Schreib-Strom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die erste Zellen-Steuer-Leitung eine Bit-Leitung der magnetoresistiven Speicherzelle ist, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Zellen-Steuer-Leitung eine Wort-Leitung der magnetoresistiven Speicherzelle aufweist, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Anlegen des Schreib-Stroms die Verwendung des Stoner-Wohlfarth-Schaltmechanismus aufweist.
Verfahren zum Programmieren von magnetoresistiven Speicherzellen, wobei das Verfahren aufweist: • Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines ersten Programmierwertes in die erste magnetoresistive Speicherzelle; • Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines zweiten Programmierwertes in die zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei der zweite Programmierwert sich von dem ersten Programmierwert unterscheidet; • Ermitteln, ob die erste und zweite magnetoresistive Speicherzelle ein Programmier-Kriterium erfüllen; und • wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle oder sowohl die erste magnetoresistive Speicherzelle als auch die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die das Programmier-Kriterium nicht erfüllende(n) magnetoresistive(n) Speicherzelle(n), wobei der dritte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der dritte Schreib-Strom über eine erste Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird, und Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die das Programmier-Kriterium nicht erfüllende(n) magnetoresistive(n) Speicherzelle(n), wobei der vierte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der vierte Schreib-Strom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die erste Zellen-Steuer-Leitung eine Bit-Leitung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die zweite Zellen-Steuer-Leitung eine Wort-Leitung der entsprechenden magnetoresistiven Speicherzelle ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Programmieren mittels des Rotations-Schalt-Typ-Mechanismus erfolgt.
Magnetoresistive Speicherzellen-Anordnung, aufweisend: • ein Array einer Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen, wobei jede magnetoresistive Speicherzelle mit einer jeweiligen ersten Zellen-Steuer-Leitung und einer jeweiligen zweiten Steuerleitung gekoppelt ist; • eine Programmier-Steuer-Einheit, die mit den ersten Zellen-Steuer-Leitungen und den zweiten Zellen-Steuer-Leitungen gekoppelt ist, wobei die Programmier-Steuer-Einheit dazu führt, dass die folgenden Schritte durchgeführt werden: • Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle, um einen ersten Programmierwert in die erste magnetoresistive Speicherzelle zu schreiben; • Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle, um einen zweiten Programmierwert in die zweite magnetoresistive Speicherzelle zu schreiben, wobei sich der zweite Programmierwert von dem ersten Programmierwert unterscheidet; • Ermitteln, ob die magnetoresistiven Speicherzellen ein Programmier-Kriterium erfüllen; • wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die magnetoresistive Speicherzelle, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt, wobei der dritte Schreib-Strom höher oder niedriger als das erste Magnetfeld oder das zweite Magnetfeld ist, wobei der dritte Schreib-Strom über die erste Zellen-Steuer-Leitung der magnetoresistiven Speicherzelle angelegt wird, die das Programmier-Kriterium nicht erfüllt; und • wenn sowohl die erste magnetoresistive Speicherzelle als auch die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die magnetoresistiven Speicherzellen, wobei der vierte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom beziehungsweise der zweite Schreib-Strom ist, wobei der vierte Schreibstrom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.
Magnetoresistive Speicherzellen-Anordnung gemäß Anspruch 9, wobei jede erste Zellen-Steuer-Leitung eine Wort-Leitung aufweist.
Magnetoresistive Speicherzellen-Anordnung gemäß Anspruch 9, wobei jede zweite Zellen-Steuer-Leitung eine Wort-Leitung aufweist.
Computerprogramm-Produkt zum Programmieren einer magnetoresistiven Speicherzelle, wobei das Computerprogramm-Produkt, wenn es von einem Rechner ausgeführt wird, einen Code aufweist, um die Durchführung einer Mehrzahl von Programmier-Schritten zu verursachen, wobei die Programmier-Schritte aufweisen: • Anlegen eines ersten Schreib-Stroms an eine erste magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines ersten Programmierwertes in die erste magnetoresistive Speicherzelle; • Anlegen eines zweiten Schreib-Stroms an eine zweite magnetoresistive Speicherzelle zum Schreiben eines zweiten Programmierwertes in die zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei der zweite Programmierwert sich von dem ersten Programmierwert unterscheidet; • Ermitteln, ob die magnetoresistiven Speicherzellen ein Programmier-Kriterium erfüllen; und • wenn die erste magnetoresistive Speicherzelle und/oder die zweite magnetoresistive Speicherzelle das Programmier-Kriterium nicht erfüllen, Anlegen eines dritten Schreib-Stroms an die erste und zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei der dritte Schreib-Strom höher oder niedriger als der erste Schreib-Strom oder der zweite Schreib-Strom ist, wobei der dritte Schreib-Strom über eine erste Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird, und Anlegen eines vierten Schreib-Stroms an die erste und zweite magnetoresistive Speicherzelle, wobei der vierte Schreib-Strom höher oder niedriger als das erste Magnetfeld oder das zweite Magnetfeld ist, wobei der vierte Schreib-Strom über eine zweite Zellen-Steuer-Leitung angelegt wird.