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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von
Daten in einem MRAM-Datenspeicher.
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Die
Datenspeicherung in Festplattenlaufwerken erfolgt derzeit in erster
Linie durch magnetische Datenspeicherung, die auf dem sogenannten
Riesenmagnetowiderstand-Effekt
(giant magneto resistance = GMR) beruht. Die Tendenz geht jedoch
dahin, zukünftig
auch magnetic random axcess memory (M-RAMS) unter Ausnutzung des
Tunnelmagnetowiederstand-(TMR)-Effekts verwendet werden. Diese MRAM-Datenspeicher sind
extrem schnell und im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleiterspeichern nicht
flüchtig,
so daß bei
einem Stromausfall keine Daten verloren gehen können.
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Ein
MRAM-Datenspeicher der zuvor beschriebenen Art ist beispielsweise
in
3 dargestellt und auch aus der
DE 101 13 853 A1 bekannt und
besteht aus einer Vielzahl von Speicherzellen
10, die aus
lateral begrenzten magnetischen Schichtsystemen aufgebaut sind,
wie es in
4 schematisch gezeigt ist. Danach
bestehen die Speicherzellen
10 jeweils aus einer auf einem
Substrat
11 aufgebrachten ersten ferromagnetischen Schicht
12 mit
einer festen magnetischen Ausrichtung (pinned layer), einer zweiten
ferromagnetischen Schicht
14 mit einer leicht drehbaren
magnetischen Ausrichtung (free layer) und einer zwischen den beiden
ferromagnetischen Schichten
12,
14 angeordneten
elektrisch isolierenden Zwischenschicht
13.
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In
diesen Speicherzellen 10 erfolgt die Abspeicherung einer
Information, indem die Magnetisierung in der zweiten magnetischen
Schicht 14 mit leicht drehbarer magnetischer Ausrichtung
(free layer) parallel oder antiparallel zu der Magnetisierung der
magnetischen Schicht 12 mit fester magnetischer Ausrichtung
(pinned layer) entsprechend der logischen „0" oder „1" abgespeichert wird.
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Das
Einschreiben des jeweiligen Schaltzustandes in eine Speicherzelle 10 geschieht über ein erstes,
netzartig ausgebildetes Leiterbahnsystem 15 mit im wesentlichen
senkrecht zueinander angeordneten Leiterbahnen 15a, 15b,
welche sich jeweils über
einer Speicherzelle 10 kreuzen. Zum Einschreiben eines
Schaltzustandes in eine Speicherzelle 10 werden durch das
erste Leiterbahnsystem 15 elektrische Ströme geleitet,
die ein äußeres Feld
auf die zweite magnetische Schicht 14 mit drehbarer Ausrichtung
(free layer) wirken lassen, durch welches die Magnetisierung in
der zweiten magnetischen Schicht 14 parallel oder antiparallel
zur Magnetisierung in der ersten magnetischen Schicht 12 (pinned
layer) ausgerichtet wird. Dabei sind die Leiterbahnen 15a, 15b im
ersten Leiterbahnsystem 15 so angeordnet, daß nur an
einem angesteuerten Kreuzungspunkt der entsprechenden Leiterbahnen 15a, 15b ein
genügend
großes
elektromagnetisches Feld für
den Schreibprozeß in
die dort befindliche Speicherzelle 10 entsteht.
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Das
Auslesen der Informationen aus den Speicherzellen 10 erfolgt
durch ein zweites Leiterbahnsystem 16, durch welches an
jeder Speicherzelle 10 zwischen dem metallischen Substrat 11 und
der zweiten ferromagnetischen Schicht 14 eine Spannung
angelegt werden kann. Von dem zweiten Leiterbahnsystem 16 sind
in 4 die Spannungsquelle U und ein Widerstandsmesser
R schematisch dargestellt. Mit dem zweiten Leiterbahnsystem 16 wird
der senkrecht zum Schichtpaket der Speicherzelle 100 beobachtete
Tunnelmagnetowiderstands-Effekt ausgenutzt, wobei je nach Magnetisierungsrichtung
in der zweiten magnetischen Schicht 14 gegenüber der Magnetisierungsrichtung
in der ersten magnetischen Schicht ein Widerstandsunterschied in
R meßbar
ist.
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Bei
den bekannten MRAM-Datenspeichern wird als nachteilig empfunden,
daß für das erste
Leiterbahnnetz zur Durchführung
des Schreibprozesses eine relativ hohe elektrische Leistung benötigt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Speicherung
von Daten in einem MRAM-Datenspeicher
anzugeben.
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Diese
Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch
die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Das
Verfahren zur Speicherung von Daten in einem solchen MRAM-Datenspeicher
zeichnet sich dadurch aus, daß ein
Ummagnetisieren von der parallelen zur antiparallelen Ausrichtung
der Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht (free layer) bezüglich der
Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht (pinned layer) mittels
antiferromagnetischer Kopplung über
das halbleitende Material der Zwischenschicht vorgenommen wird,
indem insbesondere über
die Leiterbahnen, über
welche die Informationen aus der Speicherzelle ausgelesen werden,
eine äußere Spannung
an die Speicherzelle angelegt wird, die höher ist als die für die Auslesefunktionalität erforderliche
Spannung und ausreichend ist, um eine antiferromagnetische Zwischenschichtkopplung über das
halbleitende Material der Zwischenschicht zu erzeugen.
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Damit
liegt der Erfindung die Überlegung
zugrunde, durch die Verwendung von halbleitenden Materialien eine
starke antiferromagnetische Kopplung zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten
zu schaffen. Eine solche Zwischenschichtkopplung ist durch Anlegen
einer äußeren Spannung beeinflußbar. Entsprechend
kann bei geeigneter Materialwahl und Schichtdicke beispielsweise
die Zwischenschichtkopplung ohne eine angelegte Spannung oder bei
sehr niedriger Spannung sehr klein sein, so daß sie die Ausrichtung der Magnetisierungen
nicht beeinflußt.
Bei Anlegen einer höheren Spannung
wird dann eine antiferromagnetische Kopplung über die halbleitende Zwischenschicht
erzeugt, die zu einer antiparallelen Magnetisierungsausrichtung
führt.
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Auf
diese Weise kann eine Ummagnetisierung in dem magnetischen Schichtsystem
hervorgerufen werden, die bei Abschaltung der Spannung auch erhalten
bleibt, womit bei Stromausfall der durch die Ummagnetisierung erfolgte
Schaltzustand gehalten wird.
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Ein
Zurückschalten
auf die parallele Magnetisierungsausrichtung kann durch geeignete
Ströme im
ersten Leiterbahnsystem in an sich für MRAM-Datenspeicher bekannter
Weise erfolgen.
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Somit
ist es durch die erfindungsgemäß vorgesehene
antiferromagnetische Zwischenschichtkopplung über halbleitende Materialien
möglich,
einen der beiden möglichen
Schaltzustände „0" oder „1" in einer Speicherzelle
eines MRAM-Datenspeichers zu schreiben. Dies hat den Vorteil, daß ein Anlegen
einer Spannung beispielsweise über
das Leiterbahnsystem, das zum Auslesen der gespeicherten Information
ohnehin vorhanden sein muß,
für das Ummagnetisieren
genügt
und keine großen
Ströme wie
im Falle der Benutzung des ersten Leiterbahnsystems fließen müssen. Der
beispielhaft ausgebildete MRAM-Datenspeicher benötigt zwar noch beide Leiterbahnsysteme,
wesentlicher Vorteil ist die Reduktion der Schreibleistung für eine Schaltvorgangsrichtung.
Entsprechend verringert ist der Strombedarf, woraus sich auch eine
erheblich geringere thermische Belastung des Speicherbausteins ergibt.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, die Zwischenschicht
aus Silizium herzustellen. So ist es gelungen, durch sorgfältige Präparation Schichtungen
aus Fe mit Si Zwischenschichten herzustellen, bei denen der spezifische
Widerstand der Zwischenschicht um etwa fünf Größenordnungen (105) über den
für Metalle
typischen Werten liegt und die – da
es sich bei dem Material um Silizium handelt – hier als halbleitend bezeichnet
werden. Es konnten Schichtungen mit Siliziumdicken von etwa 0,8
nm Dicke präpariert
werden, die eine besonders starke antiferromagnetische Kopplung
aufwiesen. Allgemein werden gute Ergebnisse mit Schichtdicken im
Bereich von 0,5 bis 2,0 nm erzielt.
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Als
Beispiel ist vorgesehen, daß auf
der zweiten ferromagnetischen Schicht (free layer) eine elektrische
Isolierschicht und auf dieser eine dritte ferromagnetische Schicht
mit fester magnetischer Ausrichtung (pinned lay er) angeordnet sind.
Hierdurch können
die Lesesignale zum Auslesen des jeweiligen Schaltzustandes erhöht werden,
da dann das Lesesignal durch den Spannungsabfall über die Isolierschicht
entsprechend eines herkömmlichen MRAM-Datenspeichers erfolgt.
Mit dieser Anordnung können
die beim TMR-Effekt über
halbleitende Zwischenschichten schwachen Lesesignale vermieden werden.
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Gemäß einem
weiteren Beispiel können
die Speicherzellen in Form eines Multischichtsystems mit einer Vielzahl
von magnetischen Schichten und dazwischen angeordneten halbleitenden
Zwischenschichten aufgebaut sein. Auf diese Weise kann ebenfalls
eine Lesesignalverstärkung
erreicht werden.
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Hinsichtlich
weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindungen wird auf
den Unteranspruch sowie die nachfolgende Beschreibung verwiesen.
In der Zeichnung zeigt
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1a–1c in
schematischer, perspektivischer Ansicht eine erste Ausführungsform
einer Speicherzelle eines MRAM-Datenspeichers zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
in verschiedenen Schaltzuständen,
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2 in
schematischer perspektivischer Ansicht eine zweite Ausführungsform
einer solchen Speicherzelle,
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3 in
schematischer Draufsicht einen Ausschnitt eines herkömmlichen
MRAM-Datenspeichers
und
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4 in
schematischer perspektivischer Ansicht eine herkömmliche MRAM-Speicherzelle.
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In
den 1a bis 1c ist
eine Speicherzelle 10 dargestellt, die in einem herkömmlichen MRAM-Datenspeicher 1,
wie er in 3 dargestellt und in der Beschreibungseinleitung
diskutiert ist, eingesetzt werden kann. Die Speicherzelle 10 weist
ein Substrat 11 auf, das aus einem Metall oder einem metallischen
natürlichen
Antiferromagneten (NAF) besteht. Auf dieses Substrat 11 ist
ein lateral begrenztes magnetisches Schichtsystem aufgebracht, welches
eine auf dem Substrat 11 liegende erste ferromagnetische
Schicht 12 mit einer festen magnetischen Ausrichtung (pinned
layer) gemäß dem Pfeil 121,
eine darüber
liegende zweite ferromagnetische Schicht 14 mit einer leicht
drehbaren magnetischen Ausrichtung (free layer) und eine zwischen
den beiden ferromagnetischen Schichten 12, 14 angeordnete
Zwischenschicht 13 aufweist. Die Zwischenschicht 13 besteht
aus einem Siliziummaterial mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 2,0
nm und einem spezifischen Widerstand S, der etwa um fünf Größenordnungen
(105) über
den für
Metalle typischen Werten liegt. Nachdem es sich bei dem Material
um Silizium handelt, wird das Material der Zwischenschicht hier als
halbleitend bezeichnet.
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In
dem Schaltzustand gemäß der 1a ist die
magnetische Ausrichtung der zweiten magnetischen Schicht 14,
welche durch den Pfeil 141 angedeutet ist, parallel zur
magnetischen Ausrichtung (Pfeil 121) der ersten magnetischen
Schicht 12 ausgerichtet.
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In
der Speicherzelle 10 erfolgt die Abspeicherung einer Information,
indem die Magnetisierung in der Schicht 14 (free layer)
parallel oder antiparallel zu der Magnetisierung in der ersten magnetischen Schicht 12 (pinned
layer) entsprechend der logischen „0" oder „1" abgespeichert wird.
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Die
zuvor beschriebenen Speicherzellen 10 können in einem MRAM-Datenspeicher 1 eingesetzt werden,
dessen prinzipieller Aufbau in 3 dargestellt
und bereits eingangs erläutert
wurde. Danach gehört
zu dem MRAM-Datenspeicher 1 ein erstes, netzartig ausgebildetes
Leiterbahnsystem 15 mit im wesentlichen senkrecht zu einander
angeordneten Leiterbahnen 15a, 15b, welche sich
jeweils über
einer Speicherzelle 10 kreuzen.
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Des
weiteren ist in gleicher Weise wie bei der in 4 dargestellten
Speicherzelle 10 ein zweites Leiterbahnsystem 16 vorgesehen,
durch welches an jeder Speicherzelle 10 zwischen dem Substrat 11 und
der zweiten magnetischen Schicht 14 eine Spannung über eine
Spannungsquelle U > angelegt
werden kann. Des weiteren ist in der Leiterbahn 16 ein nicht
dargestellter Widerstandsmesser sowie ein Schalter 161 vorgesehen.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die in den 1a bis 1c dargestellten
Schaltzustände
eine erfindungsgemäße Ummagnetisierung
mittels spannungsinduzierter antiferromagnetischer Zwischenschichtkopplung
erläutert.
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In
der 1a ist aufgrund des offenen Schalters 161 keine
Spannung über
das zweite Leiterbahnsystem 16 an der Speicherzelle 10 angelegt.
Entsprechend bleibt die ursprüngliche
Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht 14 (free
layer) gemäß dem Pfeil 141 parallel
zu der Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht 12 (pinned
layer) gemäß dem Pfeil 121 erhalten.
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Wenn
gemäß 1b der
Schalter 161 geschlossen wird, führt dies dazu, daß eine Spannung U > an der Speicherzelle 10 senkrecht
zu deren Schichtsystem angelegt wird, die deutlich höher ist als
die für
die Auslesefunktionalität
erforderliche Spannung U und ausreichend ist, um eine antiferromagnetische
Zwischenschichtkopplung über
das halbleitende Material der Zwischenschicht 13 zu erzeugen.
Durch diese antiferromagnetische Zwischenschichtkopplung klappt
die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht 14 (free
layer) in die zur magnetischen Ausrichtung (Pfeil 121)
der ersten magnetischen Schicht 12 (pinned layer) antiparallele Ausrichtung
gemäß dem Pfeil 142 um.
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Nach
dem Öffnen
des Schalters 161 entsprechend 1c, also
bei nicht mehr angelegter höherer
Spannung U >, wird
die antiparallele Magnetisierung gemäß dem Pfeil 142 in
der zweiten magnetischen Schicht 14 (free layer) beibehalten.
Der im Schnitt gemäß 1b in
die Speicherzelle 10 eingeschriebene Schaltzustand wird
somit gehalten.
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Ein
Zurücksetzen
des in 1c dargestellten antiparallelen
Magnetisierungszustandes in der zweiten magnetischen Schicht 14 erfolgt
in der Weise, daß durch
das erste Leiterbahnsystem 15 elektrische Ströme geleitet
werden, die ein äußeres Feld auf
die zweite magnetische Schicht 14 (free layer) wirken lassen,
durch welches die Magnetisierung wieder parallel zur Magnetisierung
in der ersten magnetischen Schicht (pinned layer) ausgerichtet wird. Konkret
werden dabei die beiden sich über
der umzumagnetisierenden Speicherzelle 10 kreuzenden Leiterbahnen 15a, 15b des
ersten Leiterbahnsystems 15 mit einem geeigneten elektrischen
Stromfluß beaufschlagt,
um den Magnetisierungszustand der zweiten magnetischen Schicht 14 in
die parallele Magnetisierung gemäß Pfeil 141 (1a)
zu verändern.
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Das
Auslesen des jeweiligen Schaltzustandes der Speicherzellen 10 erfolgt über das
zweite Leiterbahnsystem 16 unter Ausnutzung der TMR-Funktionalität in an
sich bekannter und vorstehend bereits beschriebener Weise, indem
eine Spannung U an der Speicherzelle 10 angelegt wird,
die deutlich kleiner als die zur Erzeugung einer antifer ro-magnetischen
Zwischenschichtkopplung erforderliche Spannung U > ist, wobei je nach
Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht 14 (free
layer) ein Widerstandsunterschied meßbar ist, der den Schaltzustand
definiert.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
beispielhafter Speicherzelle 10 in einem Schaltzustand
gemäß der 1b des
ersten Ausführungsbeispiels
dargestellt. Funktionsgleiche Bauteile sind hier mit gleichen Bezugsziffern
gekennzeichnet.
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Die
Speicherzelle 10 weist auf ihrem metallischen Substrat 11 eine
erste magnetische Schicht 12 mit fester magnetischer Ausrichtung
gemäß dem Pfeil 121 auf.
Auf diese erste magnetische Schicht 12 (pinned layer) ist
eine dünne
Zwischenschicht 13 aus einem halbleitenden Material aufgebracht.
Darüber befindet
sich die zweite magnetische Schicht 14 mit frei drehbarer
magnetischer Ausrichtung (free layer). Zusätzlich zum ersten Ausführungsbeispiel
ist auf der zweiten magnetischen Schicht 14 (free layer) eine
isolierende Zwischenschicht 21 und darüber eine dritte magnetische
Schicht 22 mit einer festen magnetischen Ausrichtung (pinned
layer) gemäß dem Pfeil 221 angeordnet.
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Die
magnetischen Ausrichtungen (Pfeile 121 und 122)
in den Schichten 12, 22 fester magnetischer Ausrichtung
sind parallel zueinander ausgerichtet. In dem in 2 dargestellten
Schaltzustand mit geschlossenem Schalter 161 ist eine hohe
Spannung U > über das
zweite Leiterbahnsy stem 16 an der Speicherzelle 10 angelegt.
Entsprechend der daraus resultierenden spannungsinduzierten antiferromagnetischen
Zwischenschichtkopplung über
die halbleitende Zwischenschicht 13 wird eine antiparallele
Ausrichtung gemäß dem Pfeil 142 in
der zweiten magnetischen Schicht 14 (free layer) bewirkt.
Gegenüber dem
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
entsteht durch den Spannungsabfall über die isolierende Zwischenschicht 21 ein
stärkeres
Lesesignal, womit die Speicherauslesung störunanfälliger ist.