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Ausführungsformen
der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Programmieren einer integrierten Schaltung,
Verfahren zum Programmieren einer Mehrzahl von Zellen, eine integrierte
Schaltung sowie eine Zellenanordnung.
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Die
jüngsten
Entwicklungen in Spinelektronik haben es ermöglicht, eine neue Art nicht
volatiler Speicher zu entwickeln, nämlich magnetische Speicher
mit wahlfreiem Zugriff (MRAM). Im Allgemeinen werden die elektromagnetischen
Eigenschaften magnetoresitiver Materialien dazu verwendet, Information
zu schreiben und aufrechtzuerhalten, die innerhalb individueller
magnetischer Speicherzellen gespeichert ist, auch magnetische Tunnelübergänge genannt
(MTJ = "magnetic
tunnel junction").
Genauer gesagt wird digitale Information innerhalb einer magnetischen
Speicherzelle als Bit gespeichert, das repräsentiert wird durch die Magnetisierungsrichtung
innerhalb einer magnetischen Schicht der Speicherzelle relativ zu
einer weiteren magnetischen Schicht der Speicherzelle. Eine typische
magnetische Speicherzelle kann zwei magnetische Schichten aufweisen,
zwischen denen eine Tunnelbarrierenschicht angeordnet ist. Eine
magnetische Schicht weist eine feste magnetische Orientierung auf,
die als gepinnte magnetische Schicht oder Referenzschicht bezeichnet
werden kann. Die andere magnetische Schicht, auch als freie magnetische
Schicht oder Speicherschicht bezeichnet, kann so ausgelegt sein,
dass deren magnetische Orientierung relativ zur Referenzschicht
geändert
wird, derart, dass logische Zustände
eines Bits innerhalb des magnetischen Tunnelübergangs gespeichert werden
können.
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Typischerweise
weist eine MRAM-Vorrichtung eine Mehrzahl elektrischer Leitungen
auf, die zum Erzeugen von magnetischen Feldern verwendet werden.
Ein Array von Speicherzellen kann ausgebildet werden, indem die
elektrischen Leitungen als Matrixstruktur angeordnet werden, die
Zeilen und Spalten aufweist, wobei die magnetischen Speicherzellen
bei den Schnittpunkten der Leitungen angeordnet sind. Die Leitungen
werden als Bitleitungen (BL) und Wortleitungen (WL) bezeichnet.
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Ein
sogenanntes Thermoauswahlkonzept wurde vorgeschlagen, dass dazu
im Stande ist, nur die ausgewählten
aufgeheizten Speicherzellen bei niedrigem Energieverbrauch zu programmieren,
verglichen mit einer herkömmlichen
MRAM-Programmierung, die problematisch sein kann hinsichtlich eines
Halbauswählens oder
eines hohen Energieverbrauchs. Im Allgemeinen wird der MTJ, der
in der Zelle verwendet wird, darauf ausgelegt, thermisch unterstützt zu schalten,
wobei die Speicherschicht eine antiferromagnetische Schicht mit einer
niedrigen Blocking-Temperatur aufweist. Beispielsweise werden die
antiferromagnetischen Materialien der Speicherschicht und der Referenzschicht
so gewählt,
dass große
Unterschiede in deren jeweiligen Blocking-Temperaturen vorherrschen.
Wenn der MTJ auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die die untere
Blocking-Temperatur überschreitet,
wird die antiferromagnetische Schicht der Speicherschicht freigegeben,
derart, dass die Magnetisierung der Speicherschicht umgeschaltet
werden kann unter Anwendung eines kleinen magnetischen Felds.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist, die Eigenschaften von
integrierten Schaltungen, die Zellen wie magnetoresistive Speicherzellen
enthalten, weiter zu verbessern.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zum Programmieren einer integrierten
Schaltung mit einer Mehrzahl von Zellen bereitgestellt. Das Verfahren
beinhaltet das Gruppieren der Mehrzahl von Zellen in eine erste
Zellgruppe und eine zweite Zellgruppe in Abhängigkeit des Zellzustands,
in dem die Zellen programmiert werden sollen, wobei die ersten Zellengruppe
und die zweite Zellengruppe jeweils eine Mehrzahl von Zellen aufweisen,
das gleichzeitige Programmieren der Zellen der ersten Zellengruppe
auf einen ersten Zellzustand, und, nachdem die Zellen der ersten
Zellengruppe programmiert wurden, dass das gleichzeitige Programmieren
der Zellen der zweiten Zellengruppe auf einen zweiten Zellzustand,
der vom ersten Zellzustand verschieden ist.
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Die
Zellen können
Speicherzellen sein, beispielsweise magnetoresistive Speicherzellen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist das Verfahren weiterhin auf: Ermitteln des Zellzustands
wenigstens einiger der Zellen, Ermitteln derjenigen Zellen, deren
Zellzustand dem Zellzustand entspricht, auf den die jeweilige Zelle
programmiert werden soll, und Gruppieren der ermittelten Zellen
in eine dritte Zellgruppe.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung werden die Zellen der dritten Zellengruppe nicht programmiert.
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Weiterhin
kann das Programmieren der magnetoresistiven Speicherzellen der
ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen auf den ersten
Zellzustand das Aufheizen wenigstens der magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen über die
Blocking-Temperatur eines Antiferromagneten, der mit einer Speicherschicht
der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle magnetisch gekoppelt
ist, aufweisen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird das Aufwärmen
ausgeführt,
indem ein elektrischer Heizstrom durch die magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen geführt wird.
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Der
elektrische Heizstrom kann jeder magnetoresistiven Speicherzelle über eine
jeweilige Leitung zugeführt
werden, mit der die jeweilige magnetoresistive Speicherzelle der
ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen gekoppelt ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet das Programmieren der magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen auf den ersten
Zellzustand das Anlegen eines magnetischen Felds an die magnetoresistive
Speicherzelle der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
in Übereinstimmung
mit dem ersten Zellzustand.
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Das
magnetische Feld kann jeder magnetoresistiven Speicherzelle bereitgestellt
werden unter Verwendung einer Magnetfelderzeugungsleitung.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann das Programmieren der magnetoresistiven Speicherzellen
der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen auf den
zweiten Zellzustand das Heizen wenigstens der magnetoresistiven
Speicherzellen der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen über die
Blocking-Temperatur
eines Antiferromagneten beinhalten, der mit einer Speicherschicht
der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle magnetisch gekoppelt
ist.
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Das
Heizen kann ausgeführt
werden, indem ein elektrischer Heizstrom durch die magnetoresistiven Speicherzellen
der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen geleitet
wird.
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Der
elektrische Heizstrom kann jeder magnetoresistiven Speicherzelle über eine
jeweilige Leitung bereitgestellt werden, mit der die jeweilige magnetoresistive
Speicherzelle der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
gekoppelt ist.
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Gemäß einer
noch weiteren Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet das Programmieren der Zellen der ersten
Zellengruppe auf den ersten Zellzustand und das Programmieren der
Zellen der zweiten Zellengruppe auf den zweiten Zellzustand das
Aktivieren der Zellen, die mit einer gemeinsamen Aktivierungsleitung
verbunden sind.
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Nachdem
die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen programmiert wurden, kann der Heizstrom durch die
magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen deaktiviert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zum Programmieren einer Mehrzahl von
Zellen bereitgestellt. Das Verfahren kann das Gruppieren der Mehrzahl
von Zellen in eine erste Zellengruppe und eine zweite Zellengruppe
beinhalten in Abhängigkeit
des Zellzustands, in den die Zellen überführt werden sollen, wobei die
erste Zellengruppe und die zweite Zellengruppe jeweils eine Mehrzahl
von Zellen aufweisen. Das Verfahren weist weiterhin das gleichzeitige
Programmieren der Zellen der ersten Zellengruppe auf einen ersten
Zellzustand auf. Nachdem die Zellen der ersten Zellengruppe programmiert
wurden, werden die Zellen der zweiten Zellengruppe gleichzeitig
auf einen zweiten Zellzustand programmiert, der sich vom ersten Zellzustand
unterscheidet.
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Gemäß einer
noch weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zum Programmieren einer Mehrzahl
von Zellen bereitgestellt. Das Verfahren kann das Gruppieren einer
Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen, die mit einer gemeinsamen Aktivierungsleitung
verbunden sind, in eine erste Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
und eine zweite Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen beinhalten
in Abhängigkeit
des Zellzustands, in den die magnetoresistiven Speicherzellen überführt werden
sollen. Die erste Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen und
die zweite Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen weisen jeweils
eine Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen auf. Wenigstens
die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen werden über
die Blocking-Temperatur
eines Antiferromagneten aufgeheizt, der mit einer Speicherschicht
der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle magnetisch gekoppelt
ist, und es wird ein magnetisches Feld an die magnetoresistiven
Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
angelegt in Übereinstimmung
mit dem ersten Zellzustand, wodurch die magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen gleichzeitig
in den ersten Zellzustand überführt werden,
nachdem die Zellen der ersten Zellengruppe programmiert wurden.
Der Heizstrom durch die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe
von magnetoresistiven Speicherzellen wird deaktiviert, und die magnetoresistiven
Speicherzellen der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
auf eine Temperatur oberhalb der Blocking-Temperatur eines Antiferromagneten
aufgeheizt, der mit einer Speicherschicht der jeweiligen Speicherzelle
magnetisch gekoppelt ist, und es wird ein zweites magnetische Feld
an die magnetoresistiven Speicherzellen der zweiten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen angelegt in Übereinstimmung
mit dem zweiten Zellzustand, womit die magnetoresistiven Speicherzellen
der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen in den zweiten
Zellzustand überführt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird eine integrierte Schaltung bereitgestellt, die
eine Mehrzahl von Zellen sowie einen Controller zum Programmieren
der Mehrzahl von Zellen aufweist. Der Controller ist dazu ausgelegt,
eine Mehrzahl von Zellen in eine erste Zellgruppe und eine zweite
Zellgruppe aufzuteilen in Abhängigkeit
des Zellzustands, in den die Zellen überführt werden sollen, wobei die
erste Zellengruppe und die zweite Zellengruppe jeweils eine Mehrzahl
von Zellen aufweisen, die Zellen der ersten Zellengruppe mit einem
ersten Zellzustand zu beschreiben, und, nachdem die Zellen der ersten
Zellgruppe beschrieben wurden, die Zellen der zweiten Zellengruppe
mit einem zweiten Zellzustand zu beschreiben, der vom ersten Zellzustand
verschieden ist.
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Die
Zellen können
Speicherzellen sein, beispielsweise magnetoresistive Speicherzellen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist der Controller weiterhin dazu ausgelegt, den Zellzustand
wenigstens einiger der Zellen festzulegen, um diejenigen Zellen
zu ermitteln, deren Zellzustand dem Zellzustand entsprechen, auf
den die jeweilige Zelle programmiert werden soll, und um die ermittelten
Zellen in eine dritte Zellgruppe zu gruppieren.
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Der
Controller kann weiterhin dazu ausgelegt sein, die Zellen der dritten
Zellgruppe nicht zu programmieren.
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Gemäß einer
weitern Ausführungsform
der Erfindung ist der Controller weiterhin dazu ausgelegt, wenn die
magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen auf den ersten Zellzustand programmiert werden, ein
Aufwärmsignal
zu erzeugen, das das Aufheizen von wenigstens den magnetoresistiven
Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen über die
Blocking-Temperatur eines Antiferromagneten steuert, der mit einer
Speicherschicht der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle magnetisch
gekoppelt ist.
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Der
Controller kann weiterhin dazu ausgelegt sein, das Aufheizen zu
steuern, indem ein elektrischer Heizstrom, der durch die magnetoresistiven
Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
fließt,
gesteuert wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann die integrierte Schaltung weiterhin eine Mehrzahl von
Heizleitungen aufweisen, wobei jede Zelle mit einer Heizleitung
der Mehrzahl von Heizleitungen verbunden ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann die integrierte Schaltung eine Magnetfelderzeugungsleitung
zum Erzeugen eines magnetischen Felds beinhalten, mit dem die Mehrzahl
von Zellen programmiert werden können.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann die integrierte Schaltung weiterhin eine gemeinsame
Aktivierungsleitung aufweisen, wobei wenigstens einige der Zellen
mit der gemeinsamen Aktivierungsleitung verbunden sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann der Controller weiterhin dazu ausgelegt sein,
den Heizstrom durch die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten
Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen zu deaktivieren, nachdem
die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen programmiert wurden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird eine Zellenanordnung bereitgestellt. Die Zellenanordnung
kann eine Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen sowie einen
Controller zum Programmieren der Mehrzahl von Speicherzellen aufweisen.
Der Controller ist dazu ausgelegt, eine Mehrzahl magnetoresistiver
Speicherzellen, die mit einer gemeinsamen Aktivierungsleitung verbunden
sind, in eine erste Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
und eine zweite Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen zu gruppieren
in Abhängigkeit
des Zellzustands, in den die magnetoresistiven Speicherzellen versetzt
werden sollen. Die erste Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
sowie die zweite Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen weisen
jeweils eine Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen auf.
Damit werden wenigstens die magnetoresistiven Speicherzellen der
ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen über die
Blocking-Temperatur eines Antiferromagneten aufgeheizt, der mit
einer Speicherschicht der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle
magnetisch gekoppelt ist, und es wird ein erstes magnetisches Feld
an die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen in Übereinstimmung
mit dem ersten Zellzustand angelegt, womit die magnetoresistiven
Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
gleichzeitig mit dem ersten Zellzustand beschrieben werden. Nachdem die
Zellen der ersten Zellengruppe programmiert wurden, wird der Heizstrom
durch die magnetoresistiven Speicherzellen der erste Gruppe von
magnetoresistiven Speicherzellen deaktiviert, und die magnetoresistiven Speicherzellen
der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen werden auf
eine Temperatur aufgeheizt, die oberhalb der Blocking-Temperatur
des Antiferromagneten liegt, der mit einer Speicherschicht der jeweiligen
magnetoresistiven Speicherzelle magnetisch gekoppelt ist. Es wird
ein zweites magnetisches Feld an die magnetoresistiven Speicherzellen
der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen in Übereinstimmung
mit dem zweiten Zellzustand angelegt, womit die magnetoresistiven
Speicherzellen der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
mit dem zweiten Zellzustand gleichzeitig beschrieben werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird ein Speichermodul bereitgestellt, das eine Mehrzahl von
integrierten Schaltungen beinhaltet, wobei wenigstens eine integrierte
Schaltung eine Mehrzahl von Zellen sowie einen Controller beinhaltet,
der die Mehrzahl von Zellen programmiert. Der Controller ist dazu
ausgelegt: eine Mehrzahl von Zellen in eine erste Zellengruppe und
eine zweite Zellengruppe zu gruppieren in Abhängigkeit des Zellzustands,
in den die Zellen versetzt werden sollen, wobei die erste Zellengruppe
und die zweite Zellengruppe jeweils eine Mehrzahl von Zellen aufweisen;
gleichzeitig die Zellen der ersten Zellengruppe mit einem ersten
Zellzustand gleichzeitig zu beschreiben, und, nachdem die Zellen
der ersten Zellgruppe programmiert wurden, gleichzeitig die Zellen
der zweiten Zellgruppe mit einem zweiten Zellzustand gleichzeitig
zu beschreiben, der von dem ersten Zellzustand verschieden ist.
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Das
Speichermodul kann ein stapelbares Speichermodul sein, in dem wenigstens
einige der integrierten Schaltungen aufeinander gestapelt sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in
beispielsweiser Ausführungsform
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer magnetoresistiven Speicherzelle gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung einer MRAM-Architektur, die ein Speicherzellenarray
aufweist;
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3 eine
Draufsicht auf eine MRAM-Architektur;
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4 eine
Vorderansicht einer Feldwortleitung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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5 ein
Flussdiagramm, das das Programmieren einer integrierten Schaltung,
die eine Mehrzahl von Zellen aufweist, gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung verdeutlicht;
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6 ein
Flussdiagramm, das das Programmieren einer Mehrzahl von magnetosresistiven
Speicherzellen gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung verdeutlicht;
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7A und 7B das
thermische Schalten der MRAM-Zellen in dem "Feld durch BL" und "Feld durch WL"-Modus;
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8 die
Temperaturänderung
für eine
Interlevel-Dielektrikumsschicht
mit herkömmlichem
Aufbau und für
eine Low-K-Interlevel-Dielektrikumsschicht
mit optimiertem Aufbau;
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9 ein
Zellenarray, das gemäß dem Verfahren
einer Ausführungsform
der Erfindung programmiert wird;
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10A und 10B eine
integrierte Schaltung gemäß der Ausführungsformen
der Erfindung; und
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11A und 11B ein
Speichermodul (11A) und ein stapelbares Speichermodul
(11B) gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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In
den Figuren können
identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile oder Bauteilgruppen
mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet sein.
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Beim
thermisch unterstützten
Schalten einer MRAM-Vorrichtung stellen die Bitleitungen einen Heizstrom
bereit, der über
diese den zu programmierenden MTJs zugeführt wird. Weiterhin können die
Bitleitungen dem MTJ einen Felderzeugungsstrom bereitstellen, um
die Magnetisierung zu schalten, was als "Feld durch BL"-Modus bekannt ist. Dieser Modus wird
dazu verwendet, um ein einfaches Zellenmuster zu ermöglichen. Jedoch
wird die effektive Schreibzeit bei nur ungefähr 1 Nanosekunde liegen aufgrund
des schnellen Abkühlens
des MTJ. Ein magnetisches Feld mit einer hohen Amplitude weit überhalb
des notwendigen Schaltfelds Hc würde
notwendig sein, um ein verlässliches
Schalten zu garantieren. Weiterhin ist es schwierig, einen stromreduzierenden
ferromagnetischen Liner (FML) für
die Bitleitung herzustellen. Daher ist der Energieverbrauch pro
Zyklus (16 Bit) für
den "Feld durch
BL"-Modus hoch und
liegt bei ungefähr
16×I (Heizen)
+ 16×I (Feld).
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Alternativ
kann eine zusätzliche
Wortleitung verwendet werden, um den Felderzeugungsstrom bereitzustellen,
was als "Feld durch
WL"-Modus bezeichnet
wird. Die zusätzliche
Wortleitung wird damit als Feldwortleitung (WL-FLD) bezeichnet,
wie in 1 gezeigt ist. In diesem Modus stellt die Bitleitung
den Topkontakt für
das Heizen bereit, und die Feldwortleitung stellt den Strom zum
Feldschalten bereit. Dies erfordert gewöhnlicherweise das Lesen des
Zellzustands vor dem Feldschalten, da das Schalten in zwei Prozessen
für jede Richtung
separat ausgeführt
wird, was eine schnelle Abkühlungsrate
erforderlich macht. Die Schreibzeit ist damit länger als in dem "Feld durch BL"-Modus. Jedoch ist
der Energieverbrauch pro Zyklus (16 Bit) erniedrigt auf 16×I (Heizen)
+ 2×I
(Feld), da die WL-FLD das magnetische Feld für alle MTJs auf derselben WL-FLD
erzeugt. Weiterhin kann die effektive Schreibzeit erhöht werden,
derart, dass reduzierte Felder ermöglicht werden. Ein ferromagnetischer
Liner (FML) kann leicht implementiert werden, was eine Reduktion
des Felderzeugungsstroms begünstigt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet die erste Gruppe von Zellen, die Zellen,
die auf einen ersten logischen Zustand "0" programmiert
werden sollen, und die zweite Gruppe von Zellen beinhalten die Zellen,
die auf einen zweiten logischen Zustand "1" programmiert
werden sollen, oder umgekehrt.
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Die
Mehrzahl von Zellen, die in der integrierten Schaltung vorgesehen
sind, können
Speicherzellen sein. Die Speicherzellen können magnetoresistive Speicherzellen
gemäß Ausführungsformen
der Erfindung sein. In anderen Ausführungsformen können die
Speicherzellen auch von anderem Speicherzellentyp sein wie beispielsweise
PCRAM (Phasenänderungs-RAM)
und FeRAM (ferroelektrisches RAM).
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist das Verfahren zum Programmieren der integrierten
Schaltung weiterhin das Ermitteln des Zellzustands von wenigstens
einigen der Zellen auf, die Teil der ausgewählten Zellen gemäß einer
bestimmten Bedingung sein können,
oder die alle Zellen in der integrierten Schaltung sein können. Die
Zellen, deren ermittelter Zellzustand dem Zellzustand der jeweiligen
Zelle entspricht, mit dem die jeweilige Zelle programmiert werden
soll, werden dann ermittelt und in eine dritte Gruppe von Zellen
gruppiert. Gemäß einer
Ausführungsform
werden die Zellen der dritten Zellengruppe nicht programmiert. Dies
verbessert die Effizienz des Programmierens und spart weiterhin
Energie ein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, in der die Speicherzellen magnetoresistive Speicherzellen
sind, ist ein Antiferromagnet mit einer Speicherschicht der jeweiligen
magnetoresistiven Speicherzelle magnetisch gekoppelt. Der Antiferromagnet
kann ein oder mehrere antiferromagnetische Materialien mit einer Blocking-Temperatur
aufweisen. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet das Programmieren der magnetoresistiven
Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
in den ersten Zellenzustand das Aufheizen wenigstens der magnetoresistiven
Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen über die
Blocking-Temperatur
des Antiferromagneten. Dies ist deshalb der Fall, weil der Antiferromagnet
der Speicherschicht der magnetoresistiven Speicherzellen seine Pinning-Funktion verlieren
würde,
derart, dass die Magnetisierungsrichtung der Speicherschicht geschaltet
werden könnte.
Das Heizen kann für
die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen ausgeführt
werden. In anderen Ausführungsformen
kann das Heizen auch für
die magnetoresistiven Speicherzellen sowohl der ersten als auch
der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen ausgeführt werden,
oder kann hinsichtlich aller magnetoresistiver Speicherzellen der
integrierten Schaltung ausgeführt werden.
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Das
Heizen kann ausgeführt
werden, indem ein elektrischer Heizstrom durch die magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen geführt wird.
Der elektrische Heizstrom kann jeder magnetoresistiven Speicherzelle über eine
jeweilige Leitung bereitgestellt werden, mit der die jeweilige magnetoresistive
Speicherzelle der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
verbunden ist. Gemäß einer
Ausführungsform
ist die jeweilige Leitung eine einer Mehrzahl von Bitleitungen,
die mit den magnetoresistiven Speicherzellen der integrierten Schaltung
verbunden ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann das Programmieren der magnetoresistiven Speicherzellen der ersten
Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen weiterhin das Anwenden
eines magnetischen Felds bei wenigstens den magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen in Übereinstimmung
mit dem ersten Zellzustand aufweisen. Beispielsweise kann, wenn
der erste Zellzustand eine logische "0" ist,
das magnetische Feld mit einer bestimmten Richtung derart angelegt
werden, dass die magnetische Polarität der Speicherschicht der magnetoresistiven
Speicherzellen parallel zu der magnetischen Polarität der Referenzschicht
der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle ausgerichtet wird.
Das magnetische Feld kann jeder magnetoresistiven Speicherzelle
zugeführt
werden, indem eine Magnetfelderzeugungsleitung verwendet wird. Gemäß einer
Ausführungsform
wird die Magnetfelderzeugungsleitung als Feldwortleitung (WL-FLD)
bezeichnet, die wenigstens mit den magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen gekoppelt
ist, die beispielsweise senkrecht zu den Leitungen angeordnet ist, durch
die der elektrische Heizstrom geleitet wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann das Programmieren der magnetoresistiven Speicherzellen
der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen das Aufheizen
wenigstens der magnetoresistiven Speicherzellen der zweiten Gruppe
von magnetoresistiven Speicherzellen über die Blocking-Temperatur
eines Antiferromagnets aufweisen, der mit einer Speicherschicht
der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle magnetisch gekoppelt
ist. Auf ähnliche
Art und Weise würde
das Aufheizen des Antiferromagneten über die Blocking-Temperatur
den Antiferromagneten dazu veranlassen, seine Pinning-Funktion zu
verlieren, womit es möglich
wäre, die
Speicherschicht zu programmieren. Das Heizen kann ausgeführt werden,
indem ein elektrischer Heizstrom durch die magnetoresistiven Speicherzellen
der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen geleitet
wird. Gemäß einer
Ausführungsform
wird der elektrische Heizstrom jeder magnetoresistiven Speicherzelle über eine
jeweilige Leitung zugeführt,
mit der die jeweilige magnetoresistiven Speicherzelle der zweiten
Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen gekoppelt ist. Die jeweilige Leitung
kann die Bitleitung sein, die mit der jeweiligen magnetoresistiven
Speicherzelle gekoppelt ist, oder kann die Wortleitung sein, die
mit der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle gekoppelt ist.
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Gemäß einer
weitern Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet das Programmieren der Zellen der ersten
Zellengruppe auf den ersten Zellzustand und das Programmieren der
Zellen der zweiten Zellengruppe auf den zweiten Zellenzustand das
Aktivieren von Zellen, die mit einer gemeinsamen Aktivierungsleitung
verbunden sind. Gemäß einer
Ausführungsform
ist die gemeinsame Aktivierungsleitung eine Wortleitung, wobei ein
Strom, der durch die Wortleitung fließt, die Zellen aktivieren würde, die
mit der Wortleitung gekoppelt sind.
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Nach
dem Programmieren der magnetoresistiven Speicherzellen der ersten
Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen kann der Heizstrom durch
die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen deaktiviert werden. Damit fungiert der Antiferromagnet
oberhalb der Speicherschicht der magnetoresistiven Speicherzellen
als Pinning-Schicht. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
kann der Heizstrom durch die magnetoresistiven Speicherzellen der
zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen nach deren Programmierung
auch deaktiviert werden.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Programmieren
einer Mehrzahl von Zellen. Das Verfahren weist das Gruppieren der
Mehrzahl von Zellen in eine erste Gruppe von Zellen und eine zweite
Gruppe von Zellen auf, abhängig
von dem Zellzustand, in den die Zellen programmiert werden sollen,
wobei die erste Gruppe von Zellen und die zweite Gruppe von Zellen
jeweils eine Mehrzahl von Zellen aufweist. Die Zellen der ersten
Zellengruppe werden dann gleichzeitig auf den ersten Zellzustand
programmiert. Nachdem die Zellen der ersten Zellgruppe programmiert
wurden, werden die Zellen der zweiten Zellengruppe gleichzeitig
auf einen zweiten Zellzustand programmiert, der sich von dem ersten
Zellzustand unterscheidet.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Programmieren einer Mehrzahl von
Zellen. Das Verfahren beinhaltet das Gruppieren einer Mehrzahl von
magnetoresistiven Speicherzellen in eine erste Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen und eine zweite Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
in Abhängigkeit
von dem Zellzustand, auf den die magnetoresistiven Speicherzellen
programmiert werden sollen. Die Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen
ist mit einer gemeinsamen Aktivierungsleitung verbunden, und die
erste Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen und die zweite
Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen weisen jeweils eine
Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen auf. Wenigstens die
magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen werden über
die Blocking-Temperatur eines Antiferromagneten aufgewärmt, der
magnetisch mit einer Speicherschicht der jeweiligen magnetoresistiven
Speicherzelle verbunden ist, und ein magnetisches Feld wird an die
magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen angelegt in Übereinstimmung
mit dem ersten Zellzustand, womit die magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen auch gleichzeitig
auf den ersten Zellzustand programmiert werden. Nachdem die Zellen
der ersten Zellengruppe programmiert wurden, wird der Heizstrom
durch die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von
magnetoresistiven Speicherzellen deaktiviert. Die magnetoresistiven
Speicherzellen der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
werden dann über
die Blocking-Temperatur eines Antiferromagneten erhitzt, der mit
einer Speicherschicht der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle
magnetisch gekoppelt ist, und ein magnetisches Feld wird an die
magnetoresistiven Speicherzellen der zweiten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen in Übereinstimmung
mit dem zweiten Zellenzustand angelegt, womit die magnetoresistiven
Speicherzellen der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
gleichzeitig auf den zweiten Zellzustand programmiert werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung mit einer Mehrzahl
von Zellen und einen Controller zum Programmieren der Mehrzahl von
Zellen. Der Controller ist dazu ausgelegt, die Mehrzahl von Zellen
in eine erste Zellengruppe und eine zweite Zellengruppe zu gruppieren
in Abhängigkeit
des Zellzustands, auf den die Zellen programmiert werden sollen,
derart, dass die erste Zellengruppe und die zweite Zellengruppe
jeweils eine Mehrzahl von Zellen aufweist. Der Controller ist weiterhin
dazu ausgelegt, die Zellen der ersten Zellengruppe auf einen ersten
Zellzustand zu programmieren, und die Zellen der zweiten Zellengruppe
auf einen zweiten Zellenzustand zu programmieren, nachdem die Zellen
der ersten Zellengruppe programmiert wurden. Der zweite Zellenzustand
ist verschieden vom ersten Zellenzustand.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind die Zellen der integrierten Schaltung Speicherzellen. Die Speicherzellen
können
magnetoresistiven Speicherzellen sein oder Speicherzellen eines
beliebigen anderen Typs, beispielsweise DRAM (dynamisches RAM),
SRAM (statisches RAM), und FeRAM (ferroelektrisches RAM). Gemäß einer
Ausführungsform
sind die magnetoresistiven Speicherzellen Magneto-Tunnelübergangs(MTJ)-Zellen,
die eine weichmagnetische Schicht, eine Tunnelschicht und eine magnetische
Referenzschicht aufweisen. Die weichmagnetische Schicht und die
magnetische Referenzschicht können
aus magnetischen Materialien bestehen, die beispielsweise Nickeleisen,
Nickeleisenkobalt, Kobalteisen, Kobaltzirkonium, Niobium, Kobalteisenbor
und Legierungen aus diesen Materialien aufweisen bzw. daraus bestehen.
Es können
auch andere magnetische Materialien, die in der MRAM-Herstellung
verwendet werden, für
die weichmagnetische Schicht und die magnetische Referenzschicht
verwendet werden. Es sei erwähnt,
dass die weichmagnetische Schicht und die magnetische Referenzschicht
jeweils mehrere Schichten aus Materialien aufweisen können. Die
Tunnelschicht kann aus dielektrischen Materialien bestehen, wie
beispielsweise Siliziumoxid (SiO2), Magnesiumoxid
(MgO), Siliziumnitrit (SiN2), Aluminiumoxid
(Al2O3), Aluminiumnitrit
(AlNx), und Tantaloxid (TaOx), oder kann aus nichtmagnetischen Materialien
bestehen wie beispielsweise Kupfer, Gold und Silber.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann eine erste antiferromagnetische Schicht mit der weichmagnetischen
Schicht der magnetoresistiven Speicherzellen als Pinning-Schicht
gekoppelt sein, die eine erste Blocking-Temperatur aufweist. Eine
zweite antiferromagnetische Schicht kann mit der referenzmagnetischen
Schicht der magnetoresistiven Speicherzellen als Pinning-Lager gekoppelt
sein, die eine zweite Blocking-Temperatur aufweist. Die beiden antiferromagnetischen
Schichten können
aus unterschiedlichen antiferromagnetischen Materialien hergestellt
sein, derart, dass die erste Blocking-Temperatur wesentlich niedriger ist
als die zweite Blocking-Temperatur. Weiterhin kann das Material
für die
erste antiferromagnetische Schicht so ausgewählt werden, so dass die erste Blocking-Temperatur
in einen geeigneten Bereich fällt
hinsichtlich des Betriebstemperaturbereichs der magnetoresistiven
Speicherzellen. Beispiele von antiferromagnetischen Materialien
für die
erste antiferromagnetische Schicht beinhalten Legierungen von Iridium-Mangan und Eisen-Mangan.
Beispiele für
antiferromagnetische Materialien der zweiten antiferromagnetischen
Schicht sind Legierungen aus Platin-Mangan, Nickel-Mangan, Osmium-Mangan,
Platin-Palladium-Mangan
und Platin-Mangan-Chrom. Im Allgemeinen steigt die Blocking-Temperatur
für eine
antiferromagnetische Schicht mit der Dicke der Schicht an. Dementsprechend
kann vorgesehen sein, dass die zweite antiferromagnetische Schicht eine
größere Dicke
aufweist relativ zur ersten antiferromagnetischen Schicht.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann der Controller, der in der integrierten Schaltung enthalten
ist, einen Mikrocontroller, eine Mehrzahl von Controllern, oder
eine Mehrzahl von logischen Gates, die zusammenwirken derart, dass
das Programmieren der Mehrzahl der Zellen der integrierten Schaltung
gesteuert wird, aufweisen. Gemäß einer
Ausführungsform,
in der die magnetoresistiven Speicherzellen der integrierten Schaltung
mit Bitleitungen verbunden sind, die rechtwinklig zu Wortleitungen
und Feldwortleitungen angeordnet sind, kann der Controller elektrische
Ströme
steuern, die durch die jeweiligen Leitungen fließen, womit das Programmieren
der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzellen gesteuert wird.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
kann der Controller dazu ausgelegt sein, den Zellenzustand wenigstens
einiger der Zellen festzustellen. Beispielsweise kann der Controller
Steuersignale erzeugen, die elektrische Ströme durch die Bitleitungen und
die Wortleitungen steuern, um den Widerstand der jeweiligen Zellen zu
ermitteln, derart, dass der Zellzustand der Zellen ermittelt wird.
Der Controller kann dann diejenigen Zellen ermitteln, deren Zellzustand
derselben dem Zellzustand entspricht, auf den die jeweilige Zelle
programmiert werden soll. Beispielsweise werden die Zellen mit einer
logischen "0", die auf "0" programmiert werden sollen, und die Zellen
mit einer logischen "1", die auf "1" programmiert werden sollen ermittelt.
Diese ermittelten Zellen werden in eine dritte Zellengruppe gruppiert.
Der Controller kann weiterhin dazu ausgelegt sein, die Zellen der dritten
Zellengruppe nicht zu programmieren, da sich diese bereits in dem
gewünschten
Zustand befinden.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
ist der Controller beim Programmieren der magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen auf den ersten
Zellzustand weiterhin dazu ausgelegt, ein Heizsteuersignal zu erzeugen,
das das Aufheizen wenigstens der magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen über die
Blocking-Temperatur
eines Antiferromagneten, der mit einer Speicherschicht der jeweiligen
magnetoresistiven Speicherzelle gekoppelt ist, steuert. In einer
weiteren Ausführungsform
ist der Controller dazu ausgelegt, das Aufheizen zu steuern, indem
der elektrische Heizstrom gesteuert wird, der durch die magnetoresistiven
Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
fließt.
Die obigen Ausführungsformen
zum Steuern des Programmierens der magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen sind in gleicher Weise
gültig
für das
Steuern der Programmierung der magnetoresistiven Speicherzellen
der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
weist die integrierte Schaltung eine Mehrzahl von Heizleitungen
auf, wobei jede Zelle der integrierten Schaltung mit einer Heizleitung
der Mehrzahl von Heizleitungen gekoppelt ist. Die integrierte Schaltung
kann weiterhin eine Magnetfelderzeugungsleitung zum Erzeugen eines
magnetischen Felds zum Programmieren der Mehrzahl von Zellen aufweisen.
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
die integrierte Schaltung eine gemeinsame Aktivierungsleitung aufweisen,
wobei wenigstens einige der Zellen mit der gemeinsamen Aktivierungsleitung
verbunden sind. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung beziehen sich die Mehrzahl von Heizleitungen, die
magnetische Felderzeugungsleitung sowie die gemeinsame Aktivierungsleitung
entsprechend auf die Bitleitungen, die Feldwortleitung sowie die
Wortleitung. Weiterhin kann die integrierte Schaltung eine Mehrzahl
der Magnetfeld-Erzeugungsleitungen
sowie eine Mehrzahl von gemeinsamen Aktivierungsleitungen aufweisen.
-
Der
Controller der integrierten Schaltung kann weiterhin dazu ausgelegt
sein, den Heizstrom durch die magnetoresistiven Speicherzellen der
ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen zu deaktivieren, nachdem
die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen programmiert wurden. In analoger Weise kann der Controller
der integrierten Schaltung dazu ausgelegt sein, den Heizstrom durch
die magnetoresistiven Speicherzellen der zweiten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen zu deaktivieren, nachdem die magnetoresistiven Speicherzellen
der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen deaktiviert
wurden.
-
Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft eine Zellanordnung mit einer Mehrzahl von
magnetoresistiven Speicherzellen und einen Controller zum Programmieren
der Mehrzahl von Zellen. Der Controller ist dazu ausgelegt, eine
Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen, die mit einer gemeinsamen
Aktivierungsleitung verbunden sind in eine erste Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen und eine zweite Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
zu gruppieren in Abhängigkeit
des Zellzustands, auf die die magnetoresistiven Speicherzellen programmiert
werden sollen. Die erste Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
und die zweite Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen weisen
jeweils eine Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen auf.
Der Controller ist weiterhin dazu ausgelegt, wenigstens die magnetoresistiven
Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen über die
Blocking-Temperatur eines Antiferromagneten zu erwärmen, der
mit einer Speicherschicht der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle
magnetisch gekoppelt ist, und dazu ausgelegt, ein magnetisches Feld
an den magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen in Übereinstimmung
mit dem ersten Zellzustand anzulegen. Damit werden die magnetoresistiven
Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
mit dem ersten Zellzustand gleichzeitig programmiert. Nachdem die
Zellen der ersten Gruppe von Zellen programmiert wurden, wird der
Controller dazu veranlasst, den Heizstrom durch die magnetoresistiven
Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
zu deaktivieren. Dann wird der Controller dazu veranlasst, die magnetoresistiven
Speicherzellen der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen über die
Blocking-Temperatur eines Antiferromagneten zu erwärmen, der
mit einer Speicherschicht der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle
magnetisch gekoppelt ist, und ein magnetisches Feld an die magnetoresistiven
Speicherzellen der zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen
anzulegen in Übereinstimmung
mit dem zweiten Zellzustand, womit die magnetoresistiven Speicherzellen der
zweiten Gruppe von magnetoresistiven Speicherzellen mit dem zweiten
Zellzustand gleichzeitig beschrieben werden.
-
1 zeigt
die schematische Ausführung
einer magnetoresistiven Speicherzelle gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
-
Die
magnetoresistiven Speicherzelle 100 weist einen magnetischen
Tunnelübergang(MTJ)-Stapel 101 auf,
der eine Speicherschicht 103, eine Tunnelbarrierenschicht 105 sowie
eine Referenzschicht 107 aufweist. Die Speicherschicht 103 und
die Referenzschicht 107 können jeweils eine Mehrzahl
von Schichten aufweisen. Beispielsweise kann eine jeweilige antiferromagnetische
Schicht (nicht gezeigt) in sowohl der Speicherschicht und der Referenzschicht
vorgesehen sein, wobei die antiferromagnetische Schicht, die in
der Speicherschicht enthalten ist, eine niedrigere Blocking-Temperatur
aufweist als die antiferromagnetische Schicht, die in der Referenzschicht
enthalten ist. Die antiferromagnetischen Schichten können als
Teil der Speicherschicht und der Referenzschicht ausgestaltet, als
auch als separate Schichten von der Speicherschicht und der Referenzschicht
vorgesehen werden. Wie in 1 gezeigt
ist, ist die Speicherschicht eine freie magnetische Schicht mit
einer schaltbaren magnetischen Orientierung, wohingegen die Referenzschicht
eine feste magnetische Orientierung aufweist.
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Eine
Bitleitung 109, die den Heizstrom bereitstellt, ist mit
dem MTJ-Stapel 101 über
dessen Speicherschicht 103 gekoppelt. Eine Feldwortleitung 111 und
eine Wortleitung 113, die parallel zueinander angeordnet sind
und senkrecht zur Bitleitung 109 ausgerichtet sind, sind
mit dem MTJ-Stapel 101 ohne direkten Kontakt gekoppelt
und nahe der Referenzschicht 107 vorgesehen. Die Feldwortleitung 111 sowie
die Wortleitung 113 können
parallel zueinander angeordnet sein in einer vertikalen Richtung
wie beispielhaft in 1 gezeigt ist, oder können parallel
zueinander angeordnet sein entlang einer horizontalen Richtung,
die von Design der Zellenstruktur abhängt. Die Wortleitung 113 ist
mit dem Gate eines Transistors 115 verbunden, um den MTJ-Stapel 101 zum
Lesen und Schreiben zu aktivieren. Das Drain-Gebiet des Transistors 115 ist
mit der Referenzschicht 107 des MTJ-Stapels 101 über eine
leitende Struktur 117 und eine Zwischenverbindungsschicht 119 verbunden.
Die leitende Struktur 117 kann eine einzelne leitende Schicht
sein oder verschiedene Vias, Zwischenverbindungen und zusätzliche
leitende Strukturen beinhalten. Das Source-Gebiet des Transistors 115 ist geerdet.
Es sollte erwähnt
werden, dass vielfältige
Transistortypen verwendet werden können in Abhängigkeit des Designs der Schaltung,
wobei die verbundene Komponente des Source-Gebiets, Drain-Gebiets
und des Gates des Transistors entsprechend geändert wird.
-
Beispielsweise
wird im Kontext von thermisch gestütztem Schalten den magnetoresistiven
Speicherzelle die Wortleitung 113 "angesteuert", um den MTJ-Stapel 101 zu
aktivieren, und der Strom, der durch die Bitleitung 109 bereitgestellt
wird, fließt
durch den MTJ-Stapel 101 zum Drain-Gebiet des Transistors 115,
so dass der MTJ-Stapel 101 aufgeheizt wird. Strom mit einer
bestimmten Richtung, der durch die Feldwortleitung 111 fließt, erzeugt
ein magnetisches Feld, das die magnetische Orientierung der Speicherschicht 103 umschaltet,
womit der ausgewählte
MTJ-Stapel 101 programmiert wird.
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2 zeigt
eine perspektivische Darstellung einer MRAM-Architektur 200 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, die ein Speicherzellenarray beinhaltet. Die Bitleitungen 201 und
die Feldwortleitungen 203 sind in einer matrixähnlichen
Struktur angeordnet, die Zeilen und Spalten aufweist, wobei die
MTJ-Stapel 205 bei den Schnittpunkten jeweiliger Leitungspaare
angeordnet sind. Die Wortleitungen 207 sind so angeordnet, dass
diese parallel zu den Feldwortleitungen 203 ausgerichtet
und senkrecht zu den Bitleitungen 201 angeordnet sind.
Die Wortleitungen 207 sind mit dem Drain-Gebiet des jeweiligen
Transistors 209 verbunden. Das Drain-Gebiet des jeweiligen
Transistors 209 ist mit einer leitenden Struktur 211 verbunden,
die auch in Kontakt mit einer Zwischenverbindungsschicht 213 ist.
Der Erdungskontakt 215 des Transistors 209 ist
in 2 ebenfalls gezeigt.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf eine MRAM-Architektur 300 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung. Die MTJ-Stapel 301 sind
bei den Schnittpunkten der Bitleitungen 302 und der Feldwortleitungen 303 angeordnet,
wobei sich die Wortleitungen 304 parallel zu den Feldwortleitungen 303 erstrecken.
Es sollte erwähnt
werden, dass die Anordnung der Bitleitungen 302, Feldwortleitungen 303 sowie
Wortleitungen 304 in unterschiedlichen Schaltungsdesigns
unterschiedlich ausfallen kann, derart, dass beispielsweise die
Bitleitungen 302 unterhalb der MTJ-Stapel angeordnet sind,
und dass die Wortleitungen 304 sowie die Feldwortleitungen 303 oberhalb
der MTJ-Stapel angeordnet sind.
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4 zeigt
eine Vorderansicht der WL-FLD 303, wobei ein ferromagnetischer
Liner (FML) 401 an Seiten der WL-FLD 303 angebracht
ist. Der FML 401 dient im Allgemeinen zum Einfassen des
erzeugten magnetischen Felds, wie in 4 gezeigt
ist, womit eine unerwünschte
Beeinflussung anderer nicht ausgewählter Speicherzellen verringert
wird. Weiterhin dient der FML 401 dazu, die Anforderungen
hinsichtlich des Stroms zum Erzeugen des magnetischen Felds zu reduzieren,
womit das Programmieren der Speicherzellen mit niedrigerem Energieverbrauch
ermöglicht
wird.
-
5 zeigt
ein Flussdiagramm 500, das das Programmieren einer integrierten
Schaltung mit einer Mehrzahl von Zellen gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
-
Bei 501 wird
die Mehrzahl von Zellen in eine erste Zellengruppe und eine zweite
Zellengruppe gruppiert in Abhängigkeit
des Zellenzustands, auf den die Zellen programmiert werden sollen.
Damit beinhaltet jede der ersten Zellengruppe und der zweiten Zellengruppe
eine Mehrzahl von Zellen.
-
Die
Zellen der ersten Zellengruppe werden gleichzeitig auf einen ersten
Zellzustand bei 503 programmiert.
-
Nachdem
die Zellen der ersten Zellengruppe programmiert wurden, werden die
Zellen der zweiten Zellengruppe bei 505 gleichzeitig auf
einen zweiten Zellzustand programmiert.
-
Der
zweite Zellzustand ist vom ersten Zellzustand verschieden, beispielsweise
ist der zweite Zellzustand eine logische "1",
und der erste Zellzustand ist eine logische "0".
-
6 zeigt
ein Flussdiagramm, das das Programmieren einer Mehrzahl von magnetoresistiven
Speicherzellen gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
-
Die
Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen, die mit einer gemeinsamen
Aktivierungsleitung verbunden sind, werden in eine erste Gruppe
von magnetoresistiven Speicherzellen und eine zweite Gruppe von
magnetoresistiven Speicherzellen bei 601 gruppiert in Abhängigkeit
des Zellzustands, indem die magnetoresistiven Speicherzellen überführt werden
sollen.
-
Beispielsweise
werden die magnetoresistiven Speicherzellen, die mit einer ersten
logischen "1" beschrieben werden
sollen, in eine erste Gruppe, und die magnetoresistiven Speicherzellen,
die mit einer zweiten logischen "0" beschrieben werden
sollen, in eine zweite Gruppe gruppiert. Jede der ersten Gruppe
und der zweiten Gruppe weist eine Mehrzahl von magnetoresistiven
Speicherzellen auf.
-
Bei 603 werden
die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe von magnetoresistiven
Speicherzellen über
die Blocking-Temperatur
eines Antiferromagneten der jeweiligen Zelle erwärmt. Insbesondere ist der Antiferromagnet
mit einer Speicherschicht der jeweiligen magnetoresistiven Speicherzelle
magnetisch gekoppelt. In anderen Beispielen können sämtliche magnetoresistive Speicherzellen
inklusive der der zweiten Gruppe zusammen erwärmt werden.
-
Bei 605 wird
ein erstes magnetisches Feld an die magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe angelegt, wobei das erste magnetische Feld in Übereinstimmung
ist mit dem ersten Zellenzustand, der programmiert werden soll.
Damit werden die magnetoresistiven Speicherzellen der ersten Gruppe
von magnetoresistiven Speicherzellen gleichzeitig mit dem ersten
Zellzustand beschrieben. Nachdem die Zellen der ersten Gruppe programmiert
wurden, wird bei 607 das Heizen der magnetoresistiven Speicherzellen
der ersten Gruppe deaktiviert, derart, dass der programmierte Zellenzustand
der Zellen der ersten Gruppe festgelegt ist.
-
Dann
werden bei 609 die magnetoresistiven Speicherzellen der
zweiten Gruppe über
die Blocking-Temperatur eines Antiferromagneten erwärmt, der
mit einer Speicherschicht der jeweiligen Zelle der zweiten Gruppe
magnetisch gekoppelt ist.
-
Ein
zweites Magnetfeld wird bei 611 den magnetoresistiven Speicherzellen
der zweiten Gruppe in Übereinstimmung
mit dem zweiten Zellzustand zugeführt. Damit werden die magnetoresistiven
Speicherzellen der zweiten Gruppe mit dem zweiten Zellzustand gleichzeitig
beschrieben.
-
7A und 7B zeigen
jeweils das Schalten der MRAM-Zellen in dem "Feld durch BL"- und "Feld durch WL"-Modus.
-
Wie
in einem ersten Spannungsdiagramm 700 in 7A erläutert ist,
werden eine BL-(siehe erste Bitleitung) Transistor-(der an einem
ersten Endabschnitt einer jeweiligen Bitleitung vorgesehen ist)
Spannungskurve 701 (wenn sich die MRAM-Zelle in einem Niedrigwiderstandszustand
befindet) und eine zweite Bitleitungstransistorspannungskurve 702 (wenn
sich die MRAM-Zelle in einem Hochwiderstandszustand befindet) und
eine WL-(siehe Wortleitungstransistorspannungskurve 703)
aktiviert bei Beginn des Lesens des Zellzustands (siehe erste Lesespannungskurve 704),
was ungefähr
10 Nanosekunden dauert. Das Lesen des Zellzustands wird ausgeführt, da
unterschiedliche Spannungen benötigt
werden, um die Zelle auf und über
die Blocking-Temperatur Tb zu heizen in Abhängigkeit des Widerstandslevels
der Zelle.
-
Wenn
die Zelle mit einer logischen "0" beschrieben wird
(mit anderen Worten, wenn sich die Zelle in einem Niedrigwiderstandszustand "0" befindet), bleibt der erste BL-Transistor,
der mit der BL verbunden ist, eingeschaltet, um die Zelle aufzuheizen,
und ein zweiter BL-Transistor
(der bei einem zweiten Endabschnitt einer jeweiligen Bitleitung
vorgesehen ist (die entgegengesetzt zum ersten Ende der jeweiligen
Bitleitung angeordnet ist)), wird eingeschaltet (siehe dritte Bitleitungstransistorspannungskurve 705),
um den Felderzeugungspuls bereitzustellen, derart, dass die Zelle
programmiert wird. In diesem Fall wird weiterhin der zweite BL-Transistor eingeschaltet,
um die Zelle zu programmieren (siehe beispielsweise den Abschnitt
der dritten Bitleitungstransistorspannungskurve 705 im
Zeitabschnitt zwischen ungefähr
20 Nanosekunden und ungefähr 25
Nanosekunden). Nachdem die Zelle programmiert wurde, wird die WL
ausgeschaltet, um die Zelle zu deaktivieren.
-
Weiterhin
wird, wenn die Zelle auf eine logische "1" programmiert
wird (mit anderen Worten sich in einem Hochwiderstandszustand "R1" befindet), der erste
BL-Transistor für
eine bestimmte Zeitdauer ausgeschaltet (in einer Ausführungsform
der Erfindung im Zeitabschnitt zwischen ungefähr 12 Nanosekunden bis ungefähr 20 Nanosekunden),
nachdem das Lesen des Zellzustands abgeschlossen ist (wie in der
ersten Bitleitungstransistorspannungskurve 701 gezeigt),
und dann angeschaltet, um die Zelle beispielsweise in einem Zeitabschnitt
zwischen ungefähr
20 Nanosekunden und ungefähr
25 Nanosekunden zu programmieren. In diesem Fall wird weiterhin
der zweite BL-Transistor eingeschaltet, um die Zelle zu heizen,
und der erste BL-Transistor wird geschaltet, um den Felderzeugungspuls
bereitzustellen, um die Zelle zu programmieren (siehe beispielsweise
vierte Bitleitungstransistorspannungskurve 706). Der zweite
BL-Transistor wird
ausgeschaltet, kurz bevor der Wortleitungstransistor ausgeschaltet
wird. Nachdem die Zelle programmiert wurde, wird der WL-Transistor
ausgeschaltet, um die Zelle zu deaktivieren.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird im "Feld
durch BL"-Modus durch die BL
sowohl der Heizstrom als auch der Felderzeugungsstrom bereitgestellt,
was ein sehr einfaches Zellenlayout ermöglicht. Jedoch kann die effektive
Schreibzeit ungefähr
1 Nanosekunde betragen aufgrund des schnellen Abkühlens der
Zelle, was es erforderlich macht, dass das Schaltfeld deutlich überhalb
Hc liegt.
-
Weiterhin
kann es schwierig sein, den ferromagnetischen Liner (FML), der zur
Reduzierung des Felderzeugungsstroms beitritt, für die BL zu erzeugen. Deshalb
liegt im "Feld durch
BL"-Modus ein hoher
Energieverbrauch vor, ungefähr
(16×I
(Heizen) + 16×I
(Feld)) pro Zyklus (16 Bit). Normalerweise beträgt I (Heizen) ungefähr 0,25
mA, was weit weniger ist als I (Feld), was bei ungefähr 2 mA
liegt. Unter Verwendung des FML kann I (Feld) reduziert werden bis
ungefähr
0,8 mA. Der tatsächliche
Wert kann niedriger sein als (16×I (Heizen) + 16×I (Feld))
pro Zyklus, da Zellen, die sich bereits im korrekten Zustand befinden,
nicht geheizt und geschaltet werden müssen.
-
7B zeigt
ein zweites Spannungsdiagramm 750, das den "Feld durch WL"-Modus des Zellprogrammierens
verdeutlicht. Die BL und WL werden eingeschaltet, um den Zellzustand
zu lesen (siehe beispielsweise zweite Lesespannungskurve 751)
was in etwa 10 Nanosekunden dauert. Die WL-FLD-Transistoren pulsen
dann bei +Hc für
ungefähr
5 Nanosekunden bis ungefähr
10 Nanosekunden (siehe beispielsweise ein Abschnitt in einer Feldwortleitungsspannungskurve 752 zwischen
ungefähr
13 Nanosekunden und ungefähr
23 Nanosekunden), was die Zelle auf eine logische "0" programmiert. Wenn die Zelle mit einer
logischen "0" programmiert werden
soll (R0), wird der BL-Transistor
ausgeschaltet, um das Heizen zu beenden (siehe beispielsweise die
fünfte
Bitleitungsspannungskurve 753 bei einem Zeitpunkt von ungefähr 20 Nanosekunden).
Nachdem das Pulsen bei +Hc abgeschlossen wurde, werden die WL-FLD-Transistoren
ebenfalls für
ungefähr
5 Nanosekunden ausgeschaltet, um das Abkühlen der programmierten Zellen
abzuwarten. Wenn die jeweilige Zelle mit einer logischen "1" beschrieben werden soll, wird der BL-Transistor
so angesteuert, dass die Zelle erwärmt wird (siehe beispielsweise
sechste Bitleitungsspannungskurve 754 bei einem Zeitpunkt
von ungefähr
20 Nanosekunden). Dann pulsen die WL-FLD-Transistoren bei –Hc für ungefähr 5 Nanosekunden
bis 10 Nanosekunden, womit die Zelle mit einer logischen "1" beschrieben wird (siehe beispielsweise
Abschnitt in der Feldwortleitungsspannungskurve 752 zwischen
ungefähr
27 Nanosekunden und ungefähr
35 Nanosekunden). Im "Feld
durch WL"-Modus
stellt die BL den Topkontakt zum Heizen dar, wohingegen eine eigene
WL-FLD den Felderzeugungsstrom für
alle Zellen derselben WL-FLD bereitstellt. Dies würde einen
zusätzlichen
Metalllevel erforderlich machen, was ein komplexeres Zelldesign
ergibt. Das Lesen des Zellzustands wird durchgeführt, da das Schalten des Felds
für jede
Richtung eigens in zwei Stufen erfolgt, was ein schnelles Kühlen erforderlich
macht und die Schreibzeit von ungefähr 10 Nanosekunden bis ungefähr 15 Nanosekunden
erhöht
auf ungefähr
52 Nanosekunden bis ungefähr
57 Nanosekunden. Ein Effekt ist, dass der Energieverbrauch verringert werden
kann auf ungefähr
(16×I
(Heizen) + 2×I
(Feld)) pro Zyklus (16 Bit). Die effektive Schreibzeit erhöht auf ungefähr 5 Nanosekunden,
und der ferromagnetische Liner kann leicht im Zusammenhang mit der
WL-FLD eingesetzt werden, was jeweils dazu beiträgt, die Erfordernisse hinsichtlich
des Feldstroms zu reduzieren. Während
des gesamten Zeitrahmens ist der Zellenauswahltransistor der jeweiligen
Wortleitung eingeschaltet (siehe beispielsweise Wortleitungsspannungskurve 755).
-
Unter
Bezugnahme auf 7A und 7B illustrieren
die folgenden Tabellen die Anwendung der jeweiligen Spannungen auf
die jeweiligen Leitungen.
-
In
den Tabellen wird folgende Notation verwendet:
- – "on" repräsentiert
einen geringen Strom (beispielsweise im Bereich von ungefähr 0,005
mA bis ungefähr 0,05
mA);
- – "ON" repräsentiert
einen mittleren Strom (beispielsweise im Bereich von ungefähr 0,05
mA bis ungefähr 0,2
mA);
- – "ON" (in Fettdruck) repräsentiert
einen großen
Strom im Bereich von ungefähr
0,2 mA bis ungefähr
2 mA);
- – GND
repräsentiert
das Erdungspotential
- – "off" repräsentiert
das Ausschalten eines entsprechenden Transistors.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist eine Leitung, die kein Feld erzeugt, gewöhnlicherweise
eine unidirektionale Leitung, und gewöhnlicherweise wird lediglich
ein entsprechender Schalttransistor für jede Leitung bereitgestellt
(beispielsweise Bitleitung (BL) oder Wortleitung (WL)). Weiterhin
werden gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zwei Schalttransistoren für jede Felderzeugungsleitung
bereitgestellt (beispielsweise bei jedem entsprechenden Ende der
jeweiligen Felderzeugungsleitung). Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung bezeichnet BL 1 einen ersten Schalttransistor, der
bei einem ersten Ende einer entsprechenden Felderzeugungsbitleitung
vorgesehen ist, und BL 2 einen zweiten Schalttransistor, der bei
einem zweiten Ende der entsprechenden Felderzeugungsbitleitung vorgesehen
ist (das Ende, das dem ersten gegenüberliegt). Auf ähnliche
Art und Weise bezeichnet WL-FLD 1 einen ersten Schalttransistor,
der bei einem ersten Ende der entsprechenden Felderzeugungsfeldwortleitung
(WL-FLD) vorgesehen ist, und WL-FLD 2 bezeichnet einen zweiten Schalttransistor,
der bei einem zweiten Ende das Ende (das Ende, das dem ersten Ende
gegenüberliegt)
der entsprechenden Felderzeugungsfeldwortleitung (WL-FLD) vorgesehen
ist.
-
In
der folgenden Beschreibung wird das herkömmliche Programmieren detailliert
beschrieben (es wird angenommen, dass der gesamte Programmierungszyklus
25 Nanosekunden dauert, obwohl auch andere Programmierzyklen Verwendung
finden können):
Wie
in Folgenden detailliert beschrieben werden wird, werden die folgenden
vier Fälle
unterschieden:
- – Fall 1, in dem sich die Speicherzellen
vor und nach dem Programmieren in einem logischen Zustand "0" befinden;
- – Fall
2, in dem sich die Speicherzellen in einem zweiten logischen Zustand "1" vor dem Programmieren, und in einem
ersten logischen Zustand "0" nach dem Programmieren
befinden;
- – Fall
3, in dem sich die Speicherzellen in einem zweiten logischen Zustand "1" vor und nach dem Programmieren befinden;
- – Fall
4, in dem sich die Speicherzellen in einem ersten logischen Zustand "0" vor dem Programmieren, und in einem
zweiten logischen Zustand "1" nach dem Programmieren
befinden.
-
Eine
erste Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die in einer gewöhnlichen
Leseperiode auftreten (die ungefähr
10 Nanosekunden dauert):
| Zellzustand | Lesen | | |
| Anfang | Ende | BL
1 | BL
2 | WL |
FLD
durch BL | 0 | 0 | an | off | an |
| 1 | 0 | an | off | an |
| 1 | 1 | an | off | an |
| 0 | 1 | an | off | an |
25
ns | Zeit | | 10
ns | | |
-
Eine
zweite Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die während einer herkömmlichen
Heizperiode (die in etwa 10 Nanosekunden dauert) auftreten:
| Zellzustand | Heizen | | |
| Anfang | Ende | BL
1 | BL
2 | WL |
FLD
durch BL | 0 | 0 | off | off | an |
| 1 | 0 | ON | off | an |
| 1 | 1 | off | off | an |
| 0 | 1 | off | ON | an |
25
ns | Zeit | | 10
ns | | |
-
Eine
dritte Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die in einer herkömmlichen
Felderzeugungsperiode (die in etwa 4 Nanosekunden dauert) auftreten:
| Zellzustand | Feld | | |
| Anfang | Ende | BL
1 | BL
2 | WL |
FLD
durch BL | 0 | 0 | off | off | an |
| 1 | 0 | ON | GND | an |
| 1 | 1 | off | off | an |
| 0 | 1 | GND | ON | an |
25
ns | Zeit | | 4
ns | | |
-
Eine
vierte Tabelle illustriert die Spannungen/Ströme, die in einer herkömmlichen
Endperiode (die in etwa 1 Nanosekunde dauert) auftreten:
| Zellzustand | Ende | | |
| Anfang | Ende | BL
1 | BL
2 | WL |
FLD
durch BL | 0 | 0 | off | off | off |
| 1 | 0 | off | off | Off |
| 1 | 1 | off | off | Off |
| 0 | 1 | off | off | Off |
25
ns | Zeit | | 1
ns | | |
-
Im
Folgenden wird die Programmierung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung detailliert beschrieben (es wird angenommen, dass
der gesamte Programmierzyklus 45 Nanosekunden dauert, es sei jedoch
angemerkt, dass auch andere Programmierzyklen in alternativen Ausführungsformen
der Erfindung zum Einsatz kommen können): Wie weiter unten detailliert
beschrieben werden wird, werden die folgenden vier Fälle unterschieden:
- – Fall
1, in dem sich die Speicherzellen in einem ersten logischen Zustand "0" vor und nach dem Programmieren befinden;
- – Fall
2, in dem sich die Speicherzellen in einem zweiten logischen Zustand "1" vor dem Programmieren, und in einem
ersten logischen Zustand "0" nach dem Programmieren
befinden;
- – Fall
3, in dem sich die Speicherzellen in einem zweiten logischen Zustand "1" vor und nach dem Programmieren befinden;
und
- – Fall
4, in dem sich die Speicherzellen in einem ersten logischen Zustand "0" vor dem Programmieren, und in einem
zweiten logischen Zustand "1" nach dem Programmieren
befinden.
-
Eine
fünfte
Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die in einer Leseperiode
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung (die z. B. in etwa 10 Nanosekunden dauert) auftreten:
| Zellzustand | | | Lesen | | | |
| Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
FLD
durch WL | 0 | 0 | 1.
Gruppe | an | an | GND | GND |
| 1 | 0 | 1.
Gruppe | an | an | GND | GND |
| 1 | 1 | 2.
Gruppe | an | an | GND | GND |
| 0 | 1 | 2.
Gruppe | an | an | GND | GND |
45
ns | Zeit | | | 10
ns | | | |
-
Eine
sechste Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die in einer ersten Heizperiode
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung (die in etwa 10 Nanosekunden dauert) auftreten:
| Zellzustand | | | Heizen | | | |
| Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
FLD
durch WL | 0 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | GND |
| 1 | 0 | 1.
Gruppe | ON | an | GND | GND |
| 1 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | GND | GND |
| 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | GND | GND |
45
ns | Zeit | | | 10
ns | | | |
-
Eine
siebte Tabelle illustriert die Spannungen/Ströme, die in einer ersten Felderzeugungsperiode
(zum Programmieren des logischen Werts "0" gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung auftreten (die z. B. in etwa 7 Nanosekunden dauert):
| Zellzustand | | | Feld
0 | | | |
| Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
FLD
durch WL | 0 | 0 | 1.
Gruppe | Off | an | ON | GND |
| 1 | 0 | 1.
Gruppe | ON | an | ON | GND |
| 1 | 1 | 2.
Gruppe | Off | an | ON | GND |
| 0 | 1 | 2.
Gruppe | Off | an | ON | GND |
45
ns | Zeit | | | 7
ns | | | |
-
Eine
achte Tabelle illustriert die Spannungen/Ströme, die in einer zweiten Heizperiode
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung auftreten (die z. B. in etwa 10 Nanosekunden dauert):
| Zellzustand | | | 2.
Heizen | | | |
| Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
FLD
durch WL | 0 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | GND |
| 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | GND |
| 1 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | GND | GND |
| 0 | 1 | 2.
Gruppe | ON | an | GND | GND |
45
ns | Zeit | | | 10
ns | | | |
-
Eine
neunte Tabelle illustriert die Spannungen/Ströme, die in einer zweiten Felderzeugungsperiode gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung auftreten (die zum Programmieren des zweiten logischen
Werts "1" dient und z. B.
in etwa 7 Nanosekunden dauert):
| Zellzustand | | | Feld
1 | | | |
| Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
FLD
durch WL | 0 | 0 | 1.
Gruppe | Off | an | GND | ON |
| 1 | 0 | 1.
Gruppe | Off | an | GND | ON |
| 1 | 1 | 2.
Gruppe | Off | an | GND | ON |
| 0 | 1 | 2.
Gruppe | ON | an | GND | ON |
45
ns | Zeit | | | 7
ns | | | |
-
Eine
zehnte Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die in einer Endperiode
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung auftreten (und die beispielsweise ungefähr 1 Nanosekunde
lang dauert):
| Zellzustand | | | Ende | | | |
| Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
FLD
durch WL | 0 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | GND |
| 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | GND |
| 1 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | GND | GND |
| 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | GND | GND |
45
ns | Zeit | | | 1
ns | | | |
-
In
der folgenden Beschreibung wird das Programmieren gemäß einer
bestimmten Ausführungsform der
oben beschriebenen Ausführungsform
der Erfindung im Detail beschrieben für ein 8-Bit-Zellenwort (Zellen 1–8) (es
wird angenommen, dass der gesamte Programmierzyklus 45 Nanosekunden
lang dauert, es ist jedoch anzumerken, dass auch andere Programmierzyklen
in alternativen Ausführungsformen
der Erfindung zum Einsatz kommen können):
Eine elfte Tabelle
verdeutlicht die Spannungen/Ströme,
die in einer Leseperiode gemäß einer
bestimmten Ausführungsform
der Erfindung auftreten können
(die beispielsweise ungefähr
10 Nanosekunden lang dauert):
Beispiel | Zellzustand | | | Lesen | | | |
8-Bit-Wort | Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
Zelle
1 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | an | an | GND | GND |
Zelle
2 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | an | an | GND | GND |
Zelle
3 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | an | an | GND | GND |
Zelle
4 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | an | an | GND | GND |
Zelle
5 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | an | an | GND | GND |
Zelle
6 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | an | an | GND | GND |
Zelle
7 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | an | an | GND | GND |
Zelle
8 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | an | an | GND | GND |
-
Eine
zwölfte
Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die in einer ersten Heizperiode
in Übereinstimmung
mit einer bestimmten Ausführungsform
der Erfindung auftreten (die beispielsweise ungefähr 10 Nanosekunden
lang dauert):
Beispiel | Zellzustand | | | 1.
Heizen | | | |
8-Bit-Wort | Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
Zelle
1 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | ON | an | GND | GND |
Zelle
2 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | GND | GND |
Zelle
3 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | ON | an | GND | GND |
Zelle
4 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | GND | GND |
Zelle
5 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | ON | an | GND | GND |
Zelle
6 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | GND | GND |
Zelle
7 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | ON | an | GND | GND |
Zelle
8 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | GND | GND |
-
Eine
dreizehnte Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die
in einer ersten Felderzeugungsperiode auftreten (beispielsweise
zum Programmieren des ersten logischen Werts "0")
in Übereinstimmung
mit einer bestimmten Ausführungsform
der Erfindung (die beispielsweise in etwa 7 Nanosekunden lang dauern kann):
Beispiel | Zellzustand | | | Feld
0 | | | |
8-Bit-Wort | Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
Zelle
1 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | ON | an | ON | GND |
Zelle
2 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | =
Zelle 1 | GND |
Zelle
3 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | ON | an | =
Zelle 1 | GND |
Zelle
4 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | =
Zelle 1 | GND |
Zelle
5 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | ON | an | =
Zelle 1 | GND |
Zelle
6 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | =
Zelle 1 | GND |
Zelle
7 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | ON | an | =
Zelle 1 | GND |
Zelle
8 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | an | =
Zelle 1 | GND |
-
Eine
vierzehnte Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die
in einer zweiten Heizperiode gemäß einer
bestimmten Ausführungsform
der Erfindung auftreten (die beispielsweise in etwa 10 Nanosekunden
lang dauert):
Beispiel | Zellzustand | | | 2.
Heizen | | | |
8-Bit-Wort | Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
Zelle
1 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | GND |
Zelle
2 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | ON | an | GND | GND |
Zelle
3 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | GND |
Zelle
4 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | ON | an | GND | GND |
Zelle
5 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | GND |
Zelle
6 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | ON | an | GND | GND |
Zelle
7 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | GND |
Zelle
8 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | ON | an | GND | GND |
-
Eine
fünfzehnte
Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die in einer zweiten Felderzeugungsperiode
auftreten (zum Programmieren des zweiten logischen Werts "1") in Übereinstimmung mit einer bestimmten
Ausführungsform
der Erfindung (die beispielsweise ungefähr 7 Nanosekunden dauert):
Beispiel | Zellzustand | | | Feld
1 | | | |
8-Bit-Wort | Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
Zelle
1 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | ON |
Zelle
2 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | ON | an | GND | =
Zelle 1 |
Zelle
3 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | =
Zelle 1 |
Zelle
4 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | ON | an | GND | =
Zelle 1 |
Zelle
5 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | =
Zelle 1 |
Zelle
6 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | ON | an | GND | =
Zelle 1 |
Zelle
7 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | an | GND | =
Zelle 1 |
Zelle
8 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | ON | an | GND | =
Zelle 1 |
-
Eine
sechzehnte Tabelle verdeutlicht die Spannungen/Ströme, die
in einer Endperiode in Übereinstimmung
mit einer bestimmten Ausführungsform
der Erfindung auftreten (die beispielsweise in etwa 1 Nanosekunde
dauert):
Beispiel | Zellzustand | | | Ende | | | |
8-Bit-Wort | Anfang | Ende | | BL | WL | WL
FLD 1 | WL
FLD 2 |
Zelle
1 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | off | GND | GND |
Zelle
2 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | off | GND | GND |
Zelle
3 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | off | GND | GND |
Zelle
4 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | off | GND | GND |
Zelle
5 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | off | GND | GND |
Zelle
6 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | off | GND | GND |
Zelle
7 | 1 | 0 | 1.
Gruppe | off | off | GND | GND |
Zelle
8 | 0 | 1 | 2.
Gruppe | off | off | GND | GND |
-
Wie
in dem Diagramm
800 in
8 gezeigt
ist, erlaubt eine Niedrig-k-Zwischenlevel-Dielektrikumsschicht (ILD)
mit optimierten Layout und einer zusätzlichen Feldwortleistungsschicht
ein schnelles Kühlen
in ungefähr
5 Nanosekunden. Normalerweise sind die Zellen stabil genug, um dem
magnetischen Feld standzuhalten, wenn deren Temperatur unterhalb
von 80°C
liegt. Die Energie, die zum Schreiben eines Bits benötigt wird,
ist in Tabelle 1 gezeigt, wohingegen "Feld durch WL" die Feld-Wort-Leitungen mit einem ferromagnetischen
Liner benutzt. Wie gezeigt, ist das Schema von "Feld durch WL" gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung effektiver als das "Feld durch BL"-Programmierschema.
Die Effizienz kann weiter erhöht
werden, wenn die Wortlänge
groß ist,
wie beispielsweise 32 Bits, 64 Bits oder 128 15 Bits.
Energie
pro Bit | Zelle | Zelle
+ Transistor |
Thermisches
Schalten (Feld durch BL) | 7,0
PJ | 16
PJ |
Thermisches
Schalten (Feld durch WL) | 3,3
PJ | 9
PJ |
-
Gemäß dem Verfahren
zum Programmieren einer Mehrzahl von Zellen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein Zellenarray 900, das derartig programmiert
wird, in 9 gezeigt.
-
Es
ist ersichtlich, dass der Strom durch die Bitleitungen 901 die
Zellen 903, die programmiert werden sollen, aufheizt, wobei
die Zellen mittels der entsprechenden Wortleitung (nicht gezeigt) aktiviert
werden, die sich unterhalb der Feld-Wortleitung 902 befindet.
Der Strom, der durch die Feld-Wortleitung 902 in einer
bestimmten Richtung fließt,
programmiert die beiden aufgeheizten Zellen entsprechend. Andere
Zellen, die nicht aufgeheizt sind, werden nicht programmiert.
-
In 10A und 10B ist
eine integrierte Schaltung 1000 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung gezeigt.
-
Die
integrierte Schaltung 1000 weist eine Mehrzahl von Zellen 1002 und
einen Controller 1001 zum Programmieren der Mehrzahl von
Zellen 1002 auf. Wie in 10A gezeigt
ist, ist der Controller 1001 mit jeder Bitleitung 1003,
Wortleitung 1004 sowie Feld-Wortleitung 1005 verbunden,
derart, dass der Strom durch jede dieser Leitungen 1003, 1004,
sowie 1005 durch den Controller 1001 gesteuert
wird. Beispielsweise wird der Controller 1001, wenn dieser
festlegt, dass eine Gruppe von Zellen 1002, die mit einer
Wortleitung 1004 verbunden ist, programmiert werden sollen,
ein Hitzesteuersignal erzeugen, das den Heizstrom durch die Bitleitungen 1003 entsprechend
dieser Gruppe von Zellen 1002 steuert. Der Controller 1001 kann
ein Mikrocontroller oder ein beliebiger anderer programmierbarer
oder nicht programmierbarer Schaltungsteil sein (auch hartverdrahtete
Logik).
-
Eine
integrierte Schaltung kann auch eine Mehrzahl von Untercontrollern
zusätzlich
zum Hauptcontroller 1051 aufweisen, wie beispielsweise
in einer integrierten Schaltung 1050 in 10B gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt ist, beispielsweise einen Bitleitungsuntercontroller 1052,
einen Wortleitungsuntercontroller 1053 sowie einen Feldwortleitungsuntercontroller 1054,
derart, dass jeder Untercontroller 1052, 1053, 1054 jeweils
eine unterschiedliche Gruppe elektrischer Leitungen steuert.
-
Der
Controller 1001, 1051 ist dazu ausgelegt, die
Mehrzahl von Zellen 1002 der integrierten Schaltung 1000, 1050 in
eine erste Zellengruppe und eine zweite Zellengruppe zu gruppieren
in Abhängigkeit
des Zellenzustands, in den die Zellen 1002 überführt werden
sollen. Die Controller 1001, 1051 programmieren
dann gleichzeitig die Zellen 1002 der ersten Zellengruppe
mit einem ersten Zellzustand, beispielsweise indem Steuersignale
erzeugt werden, die den Heizstrom durch die ausgewählten Bitleitungen 1003 steuern,
und die den Felderzeugungsstrom der ausgewählten Feldwortleitungen 1005 steuern.
Nachdem die Zellen 1002 der ersten Zellengruppe programmiert
wurden, können
die Controller 1001, 1051 die Zellen 1002 der
zweiten Zellengruppe mit einem zweiten Zellzustand beschreiben,
der von dem ersten Zellzustand verschieden ist. Die Controller 1001, 1051 können daraufhin
ausgelegt sein, die oben beschriebenen Ausführungsformen zu implementieren hinsichtlich
des Programmierens einer integrierten Schaltung 1000, 1050,
die eine Mehrzahl von Zellen 1002 aufweist.
-
Wie
in 11A und 11B gezeigt
ist, können
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Speichervorrichtungen/integrierten
Schaltungen in Modulen zum Einsatz kommen. In 11A ist ein Speichermodul 1100 gezeigt,
das ein oder mehrere Speichervorrichtungen/integrierte Schaltungen 1104 aufweist,
die auf einem Substrat 1102 angeordnet sind. Jede Speichervorrichtung/integrierte
Schaltung 1104 kann mehrere Speicherzellen beinhalten.
Das Speichermodul 1100 kann auch ein oder mehrere elektronische
Vorrichtungen 1106 aufweisen, die Speicher, Verarbeitungsschaltungen,
Steuerschaltungen, Addressschaltungen, Busverbindungsschaltungen
oder andere Schaltungen bzw. elektronische Einrichtungen beinhalten,
die mit Speichervorrichtung(en) eines Moduls kombiniert werden können, beispielsweise
den Speichervorrichtungen/integrierte Schaltungen 1104.
Weiterhin kann das Speichermodul 1100 eine Mehrzahl elektrischer
Verbindungen 1108 aufweisen, die eingesetzt werden können, um
das Speichermodul 1100 mit anderen elektronischen Komponenten,
beispielsweise anderen Modulen, zu verbinden.
-
Wie
in 11B gezeigt ist, können diese Module stapelbar
ausgestaltet sein, um einen Stapel 1150 auszubilden. Beispielsweise
kann ein stapelbares Speichermodul 1152 ein oder mehrere
Speichervorrichtungen 1156 enthalten, die auf einem stapelbaren
Substrat 1154 angeordnet sind. Jede Speichervorrichtung 1156 kann
mehrere Speicherzellen enthalten. Das stapelbare Speichermodul 1152 kann
auch ein oder mehrere elektronische Vorrichtungen 1158 aufweisen,
die Speicher, Verarbeitungsschaltungen, Steuerschaltungen, Addressschaltungen,
Busverbindungsschaltungen oder andere Schaltungen bzw. elektronische
Einrichtungen beinhalten, und die mit Speichervorrichtungen eines
Moduls kombiniert werden können,
beispielsweise mit den Speichervorrichtungen 1156. Elektrische
Verbindungen 1160 werden dazu benutzt, um das stapelbare Speichermodul 1152 mit
anderen Modulen innerhalb des Stapels 1150 zu verbinden.
Andere Module des Stapels 1150 können zusätzliche stapelbare Speichermodule
sein, die dem oben beschriebenen stapelbaren Speichermodul 1152 ähneln, oder
andere Typen stapelbarer Module sein, beispielsweise stapelbare
Verarbeitungsmodule, Kommunikationsmodule, oder Module, die elektronische
Komponenten enthalten.