DE10218785A1

DE10218785A1 - Halbleiterspeichereinrichtung und Betriebsverfahren für eine Halbleiterspeichereinrichtung

Info

Publication number: DE10218785A1
Application number: DE10218785A
Authority: DE
Inventors: Stefan Wurm; Siegfried Schwarzl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2003-11-13
Also published as: WO2003092011A2; KR20040102181A; EP1500108A2; US20060275928A1; TW200308085A; TWI234878B; CN1650368A; WO2003092011A3; JP2005528721A

Abstract

Es wird eine magneto-resistive Halbleiterspeichereinrichtung (10) vorgeschlagen, bei welcher mittels einer Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung (40) Speicherzellen (30) mit einem Magnetfeld (H) derart beaufschlagbar sind, dass hartmagnetischen Schichten (31h) der beaufschlagten Speicherzellen (30) eine gewünschte Sollmagnetisierung (Msoll) aufprägbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterspeichereinrichtung und ein Betriebsverfahren für eine Halbleiterspeichereinrichtung.
Bei Halbleiterspeichereinrichtungen auf der Grundlage eines magneto-resistiven Speichermechanismus und insbesondere bei MRAM-Speichern kommt es maßgeblich auf eine vorgegebene und fixierte Vormagnetisierung bestimmter Bereiche der Speicherzellen im Vergleich zu frei magnetisierbaren Bereichen der jeweiligen Speicherzellen an. Ein sich zwischen zwei magnetisierten Schichten ausbildender Tunnelwiderstand, über welchen ein elektrischer Strom zum Abtasten des Speicherinhaltes einer jeweiligen Zelle gemessen wird, ist dabei sehr stark abhängig von der Stärke und der Ausrichtung oder Orientierung der fest vorgegebenen Vormagnetisierung sowie von der frei einstellbaren Magnetisierung.
Obwohl Materialien beim Aufbau von Speicherzellen auf der Grundlage magneto-resistiver Speichereffekte bekannt sind, bei welchen eine fest voreingestellte Vormagnetisierung sich zeitlich kaum ändert, kann jedoch aufgrund der hohen Anzahl von einzelnen Speicherzellen in einem Speicherbereich für Halbleiterspeichereinrichtungen auf der Grundlage magnetoresistiver Speichermechanismen über die Nutzungsdauer von mehreren Jahren hinweg eine 100%ige Fehlerfreiheit eines Speicherbereichs nicht gewährleistet werden.
So ist es zum Beispiel denkbar, dass durch äußere Störfelder, durch thermische Einflüsse und/oder auch spontan bestimmte vormagnetisierte Bereiche der Speicherzellen im Hinblick auf die Stärke und/oder die Orientierung der Vormagnetisierung Abweichungen von einer Soll-Magnetisierung zeigen, so dass einzelne Speicherzellen oder Speicherelemente eines Speicherbereichs unbrauchbar werden können. In diesem Zusammenhang spricht man auch von einem sogenannten magnetischen Kriechen, bei welchem eine Fehlorientierung der Vormagnetisierung oder auch ein Absinken in der Stärke der Vormagnetisierung ein zeitlich schleichender Prozess ist, wobei dann plötzlich eine Fehlfunktion der jeweiligen Speicherzelle auftreten kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterspeichereinrichtung auf der Grundlage eines magneto-resistiven Speichermechanismus sowie ein Betriebsverfahren für eine Halbleiterspeichereinrichtung auf der Grundlage eines magneto-resistiven Speichermechanismus anzugeben, bei welchen über eine lange Betriebsdauer ein möglichst zuverlässiger Speicherbetrieb realisierbar ist.
Die Aufgabe wird durch eine Halbleiterspeichereinrichtung auf der Grundlage eines magneto-resistiven Speichermechanismus erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe durch ein Betriebsverfahren für eine Halbleiterspeichereinrichtung auf der Grundlage eines magneto-resistiven Speichermechanismus erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung und des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Halbleiterspeichereinrichtung auf der Grundlage eines magneto-resistiven Speichermechanismus und insbesondere der MRAM-Speicher weisen mindestens einen Speicherbereich auf, welcher seinerseits eine Mehrzahl Speicherzellen besitzt. Des Weiteren ist mindestens eine Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung vorgesehen, durch welche zumindest ein Teil der Speicherzellen mit einem gemeinsamen und zumindest lokal homogenen Magnetfeld derart steuerbar und/oder definiert beaufschlagbar ist, dass dadurch zumindest Teile oder Bereiche der beaufschlagten Speicherzellen hinsichtlich ihrer Magnetisierung (magnetischen Polarisation) definiert und/oder steuerbar verstärkbar und/oder ausrichtbar sind.
Es ist somit eine Kernidee der vorliegenden Erfindung, bei einer magneto-resistiven Halbleiterspeichereinrichtung eine Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung auszubilden, durch welche im Betrieb die Speicherzellen mit einem Magnetfeld in definierter Art und Weise steuerbar beaufschlagt werden können, um dadurch die magnetische Polarisation und/oder die Magnetisierung der einzelnen Zellen in definierter Art und Weise und steuerbar zu verstärken und/oder auszurichten. Es kann somit im Betrieb einem magnetischen Kriechen dadurch entgegengewirkt werden, dass den jeweiligen Bestandteilen der Speicherzellen, welche mit einer festen Vormagnetisierung auszubilden sind, diese Vormagnetisierung in wohldefinierter Art und Weise ausgebildet und/oder verstärkt wird. Dadurch wird eine Fehlorientierung der Vormagnetisierung der jeweiligen Speicherzellen entgegengewirkt, es kann somit in diesem Fall von einer Reorientierung oder einer Verstärkung der Vormagnetisierung gesprochen werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung ist es vorgesehen, dass die Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung ganz oder teilweise in einer vorgesehenen Gehäuseeinrichtung der Halbleiterspeichereinrichtung ausgebildet ist. Dies ist zum Beispiel deshalb vorteilhaft, weil bestimmte Gehäusebestandteile der Gehäuseeinrichtung oder auch die Gehäuseeinrichtung als Ganzes als vorgefertigtes Element mit der Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung ausgebildet werden können, ohne dass der Herstellungs- und Testvorgang für die Halbleiterspeichereinrichtung im engeren Sinne, also des der Halbleiterspeichereinrichtung zugrunde liegenden Halbleitermoduls abgeändert werden müsste. Somit kann das der Halbleiterspeichereinrichtung zugrunde liegende Halbleitermodul unabhängig von der vorzusehenden Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung ausgebildet und getestet werden.
Bei einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung ist es vorgesehen, dass die Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung als eine Spulenanordnung ausgebildet ist. Diese kann eine Spule oder eine Mehrzahl von Spulen aufweisen.
Weiterhin vorteilhaft ist dabei, dass die Spulenanordnung so angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil der Speicherzellen mit einem Magnetfeld des Innenbereichs mindestens einer Spule beaufschlagbar ist. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil aufgrund der Geometrie von Spulen gerade die Innenbereiche besonders hohe Magnetfeldstärken im Betrieb aufweisen, wobei auch eine besonders geeignete Homogenität des erzeugten Magnetfeldes gewährleistet ist.
Zur Realisierung der Vorgehensweise ist es vorgesehen, dass mindestens eine Spule der Spulenanordnung zumindest einen Teil der Speicherzellen räumlich umschließt.
Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass das der Halbleiterspeichereinrichtung zugrunde liegende Halbleitermodul zumindest zum Teil im Innenbereich mindestens einer Spule der Spulenanordnung angeordnet und/oder ausgebildet ist.
Gewisse räumliche Bereiche bei Spulen Spulenanordnungen können im Außenbereich geeignete Magnetfeldstärken mit einer geeigneten Orientierung erzeugen. Deshalb ist es gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Speicherzellen mit einem Magnetfeld des Außenbereichs mindestens einer Spule beaufschlagbar ist.
Dazu ist es vorgesehen, dass zumindest ein Teil des der Halbleiterspeichereinrichtung zugrunde liegenden Halbleitermoduls im Außenbereich mindestens einer Spule angeordnet und/oder ausgebildet ist.
Besonders günstige Eigenschaften der erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung im Hinblick auf eine durchzuführende Reorientierung und/oder Verstärkung der vorgesehenen Vormagnetisierung ergeben sich, wenn zwei Spulen als Elemente der Spulenanordnung der Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung vorgesehen sind.
Ist eine Mehrzahl von Spulen, entweder zwei oder mehr, bei der Ausbildung der Spulenanordnung der Magnetbeaufschlagungseinrichtung vorgesehen, so sind diese vorteilhafterweise gleichwirkend oder gleich ausgebildet.
Besonders einfache Feldverhältnisse ergeben sich, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung die Mehrzahl, insbesondere zwei Spulen der Spulenanordnung der Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung axialsymmetrisch mit jeweiligen Symmetrieachsen ausgebildet sind und wenn dabei zusätzlich die beiden oder mehreren Spulen mit ihren Symmetrieachsen auf einer gemeinsamen Achse verlaufen und/oder zueinander kollinear angeordnet sind.
Dabei ist weiter vorteilhaft, wenn die beiden Spulen entlang ihrer gemeinsamen Achsen oder Symmetrieachse mit einem Zwischenbereich zueinander räumlich beabstandet angeordnet und/oder ausgebildet sind, wobei dann das der Halbleiterspeichereinrichtung zugrunde liegende Halbleitermodul zumindest zum Teil in diesen Zwischenbereich zwischen den Spulen angeordnet und/oder ausgebildet ist, insbesondere in der Nähe der gemeinsamen Achse oder Symmetrieachse der Spulen. Dieses Vorgehen ist insofern vorteilhaft, als dass die so gebildete geometrische Anordnung der Spulen im Betrieb eine besonders hohe Feldstärke und zugleich eine besonders hohe Homogenität im Zwischenbereich zwischen den seriell zueinander betriebenen Spulen ermöglicht.
Die Speicherzellen weisen jeweils ein magneto-resistives Speicherelement auf oder bilden ein solches, insbesondere ein TMR-Stapelelement mit mindestens einer hartmagnetischen Schicht.
Ferner ist es vorgesehen, dass die Speicherzellen jeweils mindestens eine weichmagnetische Schicht als Speicherschicht sowie eine zwischen der hartmagnetischen Schicht und der weichmagnetischen Schicht angeordnete Tunnelschicht aufweisen.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die hartmagnetische Schicht jeweils mit einer vordefinierten und festen Magnetisierung als Sollmagnetisierung ausgebildet ist, wobei diese Sollmagnetisierung insbesondere jeweils senkrecht zu einer Verlaufsrichtung der TMR-Stapelelemente orientiert ist, also der Richtung des Verlaufs der Abfolge der Schichten der TMR- Stapelelemente, zum Beispiel in der Ebene der Schichten.
Besonders einfach gestaltet sich die erfindungsgemäße Halbleiterspeichereinrichtung, wenn die Mehrzahl Speicherzellen im Wesentlichen gleichwirkend oder gleich ausgebildet ist.
Ferner ist es von Vorteil, dass die Mehrzahl Speicherzellen so angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass ihre Magnetisierungen im Wesentlichen gleichorientiert sind und/oder im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Betriebsverfahrens für eine Halbleiterspeichereinrichtung auf der Grundlage eines magneto-resistiven Speichermechanismus und insbesondere für einen MRAM-Speicher. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren weist einen Schritt des Auslesens und externen Speicherns der Speicherinhalte jeder Speicherzelle eines Speicherbereiches der Halbleiterspeichereinrichtung auf. Nachfolgend wird dann ein Magnetfeld an die Halbleiterspeichereinrichtung angelegt und dabei zumindest ein Teil der Speicherzellen mit einem Magnetfeld beaufschlagt, um hartmagnetischen Schichten der Speicherzellen eine Magnetisierung definierbar und/oder steuerbar aufzuprägen. Anschließend werden dann die extern gespeicherten Speicherinhalte in jede Zelle des Speicherbereiches zurückgeschrieben.
Es ist somit eine Kernidee der verfahrensmäßigen Lösung der Aufgabe, zunächst die Dateninhalte des Speicherbereiches zu sichern, um nachfolgend die hartmagnetischen Schichten der Speicherzellen durch Aufprägen einer Magnetisierung in definierbarer und/oder steuerbarer Weise zu verstärken und/oder zu reorientieren. Nachfolgend wird dann der Informationszustand des Speicherbereiches durch Zurückschreiben der extern gespeicherten oder gesicherten Speicherinhalte in jeweiligen Speicherzellen wieder hergestellt.
Besonders vorteilhaft gestaltet sich das erfindungsgemäße Betriebsverfahren, wenn das Magnetfeld so in Stärke, Orientierung und Zeitdauer gesteuert eingestellt wird, dass jeder der zu beaufschlagenden Speicherzellen eine Magnetisierung in Stärke und Orientierung definiert aufgeprägt wird, so dass ein zuverlässiger Speicherbetrieb gewährleistet ist und/oder dass insbesondere die jeweilige Magnetisierung hartmagnetischer Schichten der Speicherzellen zur Sollmagnetisierung reorientierbar und/oder verstärkbar sind.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die dem Betriebsverfahren zugrunde liegenden Schritte des externen Sicherns der Speicherinhalte, des Anlegens eines Magnetfeldes zum Reorientieren und/oder zum Verstärken der Magnetisierung und des Zurückschreibens der extern gesicherten Speicherinhalte in zeitlichen Abständen wiederholt durchgeführt werden, insbesondere in einem zeitlichen Abstand von einem Jahr oder darunter. Diese Wiederholung kann regelmäßig erfolgen.
Eine Regelmäßigkeit bei der Ausführung des Betriebsverfahrens gewährleistet somit eine Präventivmaßnahme. Dagegen kann auch das Ausführen des Verfahrens durch eine explizite Anforderung durch einen Benutzer oder durch eine benutzende Einheit durchgeführt werden, zum Beispiel für den Fall, dass ein Fehlerzustand im Hinblick auf das Speichern oder Auslesen von Informationsinhalten festgestellt wird.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den nachstehenden Bemerkungen:
Die Tunneling-Magneto-Resistance-Speicherelemente, TMR, auch Magnetic-Tunneling-Junctions MTJ genannt, von Magnetic- Random-Access-Memories (MRAM) weisen eine passive und eine aktive ferromagnetische Schicht auf. Die Magnetisierung der aktiven Schicht wird beim Schreiben und destruktiven Lesen relativ zur feststehenden Magnetisierungsrichtung der passiven magnetischen Schicht gedreht, parallel oder antiparallel zu dieser Magnetisierungsrichtung.
Die Nichtflüchtigkeit dieses Speichertyps wird wesentlich von der zeitlich sich nicht ändernden Orientierung der Magnetisierung der passiven hartmagnetischen Schicht mitbestimmt. Die Orientierung dieser Magnetisierung wird einmal während des Fertigungsprozesses festgelegt. Die dabei tolerierbare Abweichung ist gering, unter einem Grad. Diese schmale Verteilung der Magnetisierung um eine vorgegebene Richtung kann im Lauf der Zeit mit und ohne externe magnetische Störfelder, zum Beispiel durch Magnetisches Kriechen, breiter werden. Es ist zu erwarten, dass die Magnetisierungsänderungen inhomogen, von Keimbildungszentren ausgehend, erfolgen. Dadurch können einzelne Speicherelemente unbrauchbar werden, und/oder deren Speicherinhalte gehen verloren.
Die Zeitskala, auf die sich die Nichtflüchtigkeit von MRAM- Speichern basierend auf dem Tunneling-Magneto-Resistance- Effekt (TMR) bezieht, ist nicht bekannt. Es ist aber zu erwarten, dass durch thermische Aktivierung des Magnetischen Kriechens in der hartmagnetischen Schicht diese Zeitskale in den Bereich der Nutzungsdauer von einigen Jahren der Speicher gelangt.
Es ist nicht bekannt, wie die durch Magnetisches Kriechen verursachte Begrenzung der Nichtflüchtigkeit verhindert werden kann.
Magnetisierungsänderungen durch äußere magnetische Störfelder und der damit verursachte Verlust an gespeicherter Informationen können durch magnetische Abschirmung mit Materialien hoher Permeabilität erreicht werden.
Diese sind aber wirkungslos bezüglich der durch Magnetisches Kriechen verursachten Informationsverluste.
Durch ein externes magnetisches Feld kann, auch während des Betriebes eines MRAM-Bausteins, die hartmagnetische Schicht reorientiert werden. Daher sind erfindungsgemäß die Reparatur oder das präventive Auffrischen von Speicherzellen, die ihre Funktionalität durch Änderung der Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht verloren haben, vorgesehen.
Zu diesem Zweck wird zuerst der Inhalt des Speicherbausteins in einem anderen beliebigen Medium zwischengespeichert. Dann wird, zum Beispiel mittels einer geeignet in der Verpackung integrierten Spule oder eines Spulenpaares, ein Magnetfeld angelegt, das groß genug ist, um die hartmagnetische Schicht zu reorientieren. Anschließend kann der frühere Inhalt aus dem Zwischenspeicher wieder in den Baustein übertragen werden. Dieser Vorgang ist beliegig oft wiederholbar.
Wird, wie vorgeschlagen, eine Spule oder ein Spulenpaar in die Verpackung des Bausteins integriert, so kann die Orientierung der Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht des Bausteins in-situ aufgefrischt werden. Eine entsprechende Logik mit Ansteuerung kann diesen Vorgang automatisch in vorgegebenen Zeitintervallen durchführen. Für die Definition bzw. Anforderungen bezüglich Nichtflüchtigkeit an die hartmagnetische Schicht ändert sich damit die Zeitskala. Es lassen sich langzeitig nichtflüchtige Speicher auch mit hartmagnetischen Schichten realisieren, deren magnetische Orientierung auf einer kürzeren Zeitskala zerfällt.
Hartmagnetische Schichten können durch spezielle Legierungen ferromagnetischer und nichtferromagnetischer Elemente erhalten werden, zum Beispiel CoFe, CoCr, CoPt, CoCrFe.
Die magnetischen Schaltschwellen ferromagnetischer Schichten können aber auch durch die Wahl der Schichtgeometrie (Form, Dicke) im Vergleich zu den weichmagnetischen Schichten erhöht werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ferromagnetische Schichten durch Kopplung an darunter- aber darüberliegende antiferromagnetische Schichten (zum Beispiel aus IrMn, PtMn) "härter" zu machen.
Als ferromagnetische Schichten kommen allgemein Schichten in Frage, die mindestens eines der Elemente Fe, Ni, Co, Cr, Mn, Gd, Dy oder Bi enthalten oder aus Legierungen daraus bestehen.
Ein erfinderischer Schritt liegt in der Nutzung der Erkenntnis, dass sich im Gegensatz zu anderen nichtflüchtigen Speichern, wie zum Beispiel Flash-Speichern, defekte Zellen oder Bits durch ein angelegtes äußeres Feld auffrischen oder reparieren lassen. Das Magnetfeld der hartmagnetischen Schicht lässt sich kontaktlos auffrischen oder reparieren, indem der Chip in der Verpackung einem orientierenden Magnetfeld ausgesetzt wird. Werden eine entsprechende Spule oder ein Spulenpaar in die Verpackung, zum Beispiel ein Gehäuse, integriert, so lassen sich Speicherzellen, deren Defekt auf eine Fehlorientierung der Magnetisierung in der hartmagnetischen Schicht zurückzuführen ist, in-situ im laufenden Betrieb reparieren, zum Beispiel in Zeiten, in denen nicht auf die entsprechenden Speicherzellen zugegriffen wird.
Wird diese Reorientierung als präventive Maßnahme durchgeführt, so lässt sich die Nichtflüchtigkeit dieser Speicherelemente verbessern.
Das Magnetfeld zur Wiederherstellung der Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Schicht wird zum Beispiel durch ein Spulenpaar erzeugt, dass zusammen mit dem MRAM-Chip in einem Chip-Gehäuse montiert ist. Die Magnetfelder der beiden in Serie geschalteten Spulen sind gleichgerichtet und auf die Chipebene fokussiert.
Es kann auch eine langgestreckte Magnetspule verwendet werden, die über dem Chip in einem Gehäuse montiert ist. Zur Reorientierung der hartmagnetischen Schicht wird zum Beispiel das äußere, annähernd parallel zur Spulenachse liegende Magnetfeld verwendet, das mit dem Magnetfeld im Spuleninneren eine geschlossene Magnetfeldanordnung bildet. Vorteilhaft, verglichen mit dem obigen Vorgehen, ist die Einfachkeit der Montage, nachteilig ist jedoch die geringere Magnetfeld-zu- Strom-Effizienz.
Folgende weitere Ausführungsbeispiele sind denkbar:

- Die Magnetspule umschließt den MRAM-Chip eng anschließend und besteht aus einem oder mehreren Spulensegmenten. Vorteilhaft dabei ist das homogene Magnetfeld, das Magnetfeld ist maximal bei gegebenem Strom. Nachteilig ist die komplizierte Montage.
- Die Magnetspule ist derart in die Gehäusebestandteile integriert, dass nach Montage des MRAM-Chips und Zusammenfügung der Gehäusebestandteile eine vollständige Magnetspule entsteht, die den MRAM-Chip umschließt. Vorteilhaft dabei ist die einfache Montage und die hohe Magnetfeld-zu-Strom- Effizienz. Nachteilig ist das teure, komplexe Gehäuse.

Die Erfindung wird weiter erläutert anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsformen.
Fig. 1A-D zeigen in schematischer Art und Weise vier verschiedene Zwischenzustände einer Speicherzelle, welche gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens erreicht werden.
Fig. 2A-C zeigen in geschnittener Seitenansicht drei verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung.
Fig. 3 zeigt in teilweiser geschnittener und perspektivischer Seitenansicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung.
Fig. 4 zeigt in teilweise geschnittener Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung.
Bei den nachfolgend beschriebenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Bauelemente oder Strukturen, ohne dass in jedem Fall eine detaillierte Beschreibung wiederholt wird.
Anhand einer einzigen Speicherzelle 30 auf der Grundlage eines magneto-resistiven Speichermechanismus wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1A bis 1D in geschnittener Seitenansicht das Vorgehen gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens im Detail erläutert.
Eine magneto-resistive Speicherzelle 30 besteht in der in Fig. 1A bis 1D gezeigten Ausführungsform der Erfindung aus einer hartmagnetischen Schicht 31h, einer weichmagnetischen Schicht 31w sowie einer dazwischen vorgesehenen Tunnelschicht 31t. Während der Herstellung einer erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung, welche in einem Speicherbereich 20 eine Mehrzahl der in Fig. 1A bis 1D gezeigten Speicherzellen 30 aufweist, wird der hartmagnetischen Schicht 31h jeder Speicherzelle 30 eine Magnetisierung M aufgeprägt, welche im Wesentlichen identisch ist mit einer gewünschten Soll- Magnetisierung Msoll: M = Msoll, und zwar in Betrag und Richtung.
Durch entsprechende Schreibvorgänge kann auf die weichmagnetische Schicht 31w, welche als Speicherschicht dient, parallel oder antiparallel zur Sollmagnetisierung Msoll der hartmagnetischen Schicht 31h eine Informationsmagnetisierung oder Speichermagnetisierung Msp aufgeprägt werden. Je nach dem, ob die Speichermagnetisierung Msp der weichmagnetischen Schicht 31w parallel oder antiparallel zur Sollmagnetisierung Msoll der hartmagnetischen Schicht 31h orientiert ist, stellt sich ein vergleichsweiser hoher bzw. ein vergleichsweise niedriger elektrischer Tunnelwiderstand über die Tunnelschicht 31t der Speicherzelle 30 ein.
Dieser Zustand ist in der Fig. 1A dargestellt und liegt zu einem Zeitpunkt t = 0 und für eine geraume Zeit danach vor, wobei die Speichermagnetisierung Msp der weichmagnetischen Schicht 31w aufgrund ihrer Variabilität punktiert angedeutet ist.
Mit fortschreitender Zeit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Magnetisierung M der hartmagnetischen Schicht 31h von der Sollmagnetisierung Msoll abweicht. Dies gilt sowohl im Hinblick auf den Absolutbetrag der Magnetisierung M als auch im Hinblick auf die Richtung der Magnetisierung M im Vergleich zur Sollmagnetisierung Msoll. In Fig. 1B ist schematisch gezeigt, dass für eine Zeit t oberhalb einer nicht näher spezifizierten kritischen Zeit Tkrit eine betragsmäßige und richtungsmäßige Abweichung der Magnetisierung M der hartmagnetischen Schicht 31h im Vergleich zur Sollmagnetisierung Msoll vorliegt: M ≠ Msoll.
Vorangehend und nachfolgend stellen M, Msp, Msoll immer pauschale oder über die entsprechenden Schichten gemittelte Größen dar.
Eine derartige Abweichung kann dazu führen, dass die Funktionszuverlässigkeit beim Beschreiben und/oder beim Auslesen von Informationsinhalten in bzw. aus der weichmagnetischen Schicht 31w der Speicherzelle 30 nicht mehr gewährleistet ist.
Demzufolge wird gemäß der Darstellung der Fig. 1C ein in Bezug auf das Speicherelement 30 (oder die Speicherzelle 30) externes magnetisches Feld H angelegt. Dieses externe magnetische Feld H wird in Bezug auf seine Richtung und seinen Betrag so gewählt, dass sich die Magnetisierung M der hartmagnetischen Schicht 31h wieder gemäß der Sollmagnetisierung Msoll ausrichtet und betragsmäßig einen entsprechenden oder höheren Wert annimmt, so wie das in Fig. 1C dargestellt ist.
Nach Abschalten des in Bezug auf die Speicherzelle 30 externen magnetischen Feldes H verbleibt in der hartmagnetischen Schicht 31h eine verstärkte und reorientierte Magnetisierung M, welche der Sollmagnetisierung Msoll entspricht: M = Msoll.
Dies ist in der Fig. 1D dargestellt, wobei im Übergang vom Zustand der Fig. 1B zur Fig. 1C die in der weichmagnetischen Schicht 31w gespeicherte Information aus der Speicherzelle 30 ausgelesen und nachfolgend beim Übergang vom Zustand der Fig. 1C zum Zustand der Fig. 1D in die weichmagnetische Schicht 31w zurückgeschrieben wird, so dass die Speichermagnetisierungen Msp der Zustände der Fig. 1B und 1D im Wesentlichen übereinstimmen.
Die Fig. 2A bis 2C zeigen in schematischer und geschnittener . Seitenansicht drei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung 10.
In den Fig. 2A bis 2C weist die erfindungsgemäße Halbleiterspeichereinrichtung 10 einen Speicherbereich 20 auf, welcher seinerseits eine Mehrzahl von Speicherelementen oder Speicherzellen 30 aufweist, die ihrerseits zum Beispiel die in den Fig. 1A bis 1D gezeigte Struktur besitzen. Der Speicherbereich 20 hat jeweils die Struktur eines Halbleitermoduls 20 oder eines Chips 20.
Die Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtungen 40 der Ausführungsformen der Fig. 2A bis 2C werden durch Spulenanordnungen 40 gebildet. Dabei sind in den Ausführungsformen der Fig. 2A und 2B jeweils eine Spule 41 und bei der Ausführungsform der Fig. 2C zwei Spulen 41 und 42 vorgesehen. Angedeutet sind jeweils nur die Querschnitte der Windungen 41w bzw. 42w der Spulen 41, 42.
Sämtliche Spulen besitzen in den Ausführungsformen der Fig. 2A bis 2C zylindrische oder quaderförmige Gestalt mit jeweils einer mittig angeordneten Symmetrieachse 41x bzs. 42x.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2A ist der Speicherchip oder Speicherbereich 20 mit seinen Speicherzellen 30 im Innenbereich 41i der Spule 41 der Spulenanordnung oder Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung 40 angeordnet und wird dort im Betrieb mit einem homogenen Magnetfeld Hi beaufschlagt, welches richtungs- und betragsmäßig in den hartmagnetischen Schichten 31h der Speicherzellen 30 gerade die Sollmagnetisierung Msoll erzeugt.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2B ist der Speicherbereich 20 mit seinen Speicherzellen 30 im Außenbereich 41a der Spule 41 der Spulenanordnung 40 oder Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung 40 vorgesehen, so dass dort ausschließlich das Außenfeld Ha der Spule 41 zum Beaufschlagen und Reorientieren verwendet wird.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2C befindet sich der Speicherbereich 20 mit seinen Speicherzellen 30 im Zwischenbereich Z der ersten Spule 41 und der zweiten Spule 42, welche identisch ausgebildet sind, Symmetrieachsen 41x und 42x aufweisen, wobei diese Symmetrieachsen 41x und 42x auf einer gemeinsamen Symmetrieachse X anliegen und ausgerichtet sind. Somit wird bei der Ausführungsform der Fig. 2C das kombinierte Austrittsfeld Ha der ersten Spule 41 und zweiten Spule 42 als sich überlagerndes Magnetfeld zur Reorientierung der Magnetisierung M der hartmagnetischen Schichten 31h verwendet.
Fig. 3 zeigt in schematischer teilweise perspektivischer geschnittener Seitenansicht eine stärker konkretisierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung 10 unter Verwendung der in Fig. 2C dargestellten Anordnung. Auch dort sind erste und zweite Spulen 41, 42 vorgesehen. Diese sind im Wesentlichen gleich aufgebaut und besitzen auf einer Linie kollinear angeordnete Symmetrieachsen 41x, 42x. Die ersten und zweiten Spulen 41, 42 sind durch einen Zwischenbereich Z voneinander räumlich beabstandet. Im Zwischenbereich Z liegt der Chip als Speicherbereich 20 mit den darin vorgesehenen Speicherzellen 30. Dargestellt sind noch ein Trägersubstrat 60 sowie äußere Anschlüsse 70. Die ersten und zweiten Spulen 41 und 42 sind hier als in ein hier nicht näher konkretisiertes Gehäuse integrierte Strukturen vorgesehen.
Fig. 4 zeigt in geschnittener Seitenansicht eine stärker konkretisierte Ausführungsform der Anordnung der Fig. 2B. Dort ist im Gehäusebereich 50 eine Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung 40 mit einer Spulenanordnung 40 aus einer einzigen Spule 41 vorgesehen. Im Außenbereich 41a der Einzelspule 41 befindet sich der als Chip ausgebildete Speicherbereich 20. Der Chip oder Speicherbereich 20 und sämtliche weitere Komponenten liegen auf einem Trägersubstrat 60 auf und sind mit äußeren Anschlüssen 70 nach außen hin kontaktiert. Bezugszeichenliste 10 Halbleiterspeichereinrichtung, MRAM-Speicher
20 Speicherbereich
30 Speicherzelle
31h hartmagnetische Schicht
31t Tunnelschicht
31w weichmagnetische Schicht
40 Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung, Spulenanordnung
41 Spule
41a Außenbereich
41i Innenbereich
41w Spulenwindung
41x Symmetrieachse
42 Spule
42a Außenbereich
42w Spulenwindung
42x Symmetrieachse
50 Gehäuseeinrichtung, Gehäuse
60 Trägersubstrat
70 Außenanschluss
100 Halbleitermodul, Chip
H Magnetfeld
Ha Außenfeld
Hi Innenfeld
M Magnetisierung
Mist Ist-Magnetisierung
Msoll Sollmagnetisierung
Msp Speichermagnetisierung
X gemeinsame Symmetrieachse
Y Verlaufsrichtung TMR-Stapel
Z Zwischenbereich

Claims

1. Halbleiterspeichereinrichtung auf der Grundlage eines magneto-resistiven Speichermechanismus, insbesondere MRAM- Speicher,

- mit mindestens einem Speicherbereich (20), welcher eine Mehrzahl Speicherzellen (30) aufweist, und

- mit mindestens einer Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung (40), durch welche zumindest ein Teil der Speicherzellen (30) mit einem gemeinsamen und zumindest lokal homogenen Magnetfeld (H) derart steuerbar und/oder definiert beaufschlagbar ist,

- dass dadurch zumindest Teile oder Bereiche der beaufschlagten Speicherzellen (30) hinsichtlich ihrer magnetischen Polarisation und/oder ihrer Magnetisierung definiert und/oder steuerbar verstärkbar und/oder ausrichtbar sind.

2. Halbleiterspeichereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung (40) ganz oder teilweise in einer vorgesehenen Gehäuseeinrichtung (50) der Halbleiterspeichereinrichtung (10) ausgebildet ist.

3. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldbeaufschlagungseinrichtung (40) als eine Spulenanordnung ausgebildet ist, mit einer Spule (41) oder mit einer Mehrzahl von Spulen (41, 42).

4. Halbleiterspeichereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung so angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil der Speicherzellen (30) mit einem Magnetfeld (Hi) eines Innenbereiches (41i) mindestens einer Spule (41) beaufschlagbar ist.

5. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spule (41) zumindest einen Teil der Speicherzellen (30) räumlich umschließt.

6. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das der Halbleiterspeichereinrichtung (10) zugrunde liegende Halbleitermodul (100) zumindest zum Teil im Innenbereich (41i) mindestens einer Spule (41) ausgebildet und/oder angeordnet ist.

7. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Speicherzellen (30) mit einem Magnetfeld (Ha) eines Außenbereichs (41a, 42a) mindestens einer Spule (41, 42) beaufschlagbar ist.

8. Halbleiterspeichereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des der Halbleiterspeichereinrichtung (10) zugrunde liegenden Halbleitermoduls (100) im Außenbereich (41a, 42a) mindestens einer Spule (41, 42) angeordnet und/oder ausgebildet ist.

9. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spulen (41, 42) vorgesehen sind.

10. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrzahl von Spulen (41, 42) diese im Wesentlichen gleichwirkend oder gleich ausgebildet sind.

11. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 10, dadurch gekennzeichnet,

- dass zwei axialsymmetrische Spulen (41, 42) mit Symmetrieachsen (41x, 42x) vorgesehen sind und

- dass die beiden Spulen (41, 42) mit ihren Symmetrieachsen (41x, 42x) auf einer gemeinsamen Achse (X) oder kollinear . verlaufend angeordnet sind.

12. Halbleiterspeichereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- dass die beiden Spulen (41, 42) entlang ihrer gemeinsamen Achse (X) mit einem Zwischenbereich (Z) räumlich beabstandet angeordnet und/oder ausgebildet sind und

- dass das der Halbleiterspeichereinrichtung (10) zugrunde liegende Halbleitermodul (100) zumindest zum Teil im Zwischenbereich (Z) zwischen den Spulen (41, 42) angeordnet und/oder ausgebildet ist, insbesondere in der Nähe der gemeinsamen Achse (X).

13. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (30) jeweils ein magneto-resistives Speicherelement aufweisen oder bilden, insbesondere ein TMR- Stapelelement mit mindestens einer hartmagnetischen Schicht (31h).

14. Halbleiterspeichereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (30) jeweils mindestens eine weichmagnetische Schicht (31w) als Speicherschicht sowie eine zwischen der hartmagnetischen Schicht (31h) und der weichmagnetischen Schicht (31w) angeordnete Tunnelschicht (31t) aufweisen.

15. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetische Schicht (31h) jeweils mit einer vordefinierten Magnetisierung (M) als Sollmagnetisierung (Msoll) ausgebildet ist, welche insbesondere jeweils senkrecht zu einer Verlaufsrichtung (Y) des oder der TMR-Stapelelemente orientiert ist.

16. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl Speicherzellen (30) im Wesentlichen gleichwirkend oder gleich ausgebildet ist.

17. Halbleiterspeichereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl Speicherzellen (30) so angeordnet oder ausgebildet ist, dass ihre Magnetisierungen (M) im Wesentlichen gleich orientiert sind und/oder im Wesentlichen in einer Ebene liegen.

18. Betriebsverfahren für eine Halbleiterspeichereinrichtung auf der Grundlage eines magneto-resistiven Speichermechanismus und insbesondere für eine MRAM-Speichereinrichtung, mit den Schritten:

a) Auslesen und externes Speichern von Speicherinhalten jeder Speicherzelle (30) eines Speicherbereiches (20) der Halbleiterspeichereinrichtung (10),

b) Anlegen eines Magnetfeldes (H) an die Halbleiterspeichereinrichtung (10) und dabei Beaufschlagen zumindest eines Teils der Speicherzellen (30) mit dem Magnetfeld (H), um hartmagnetische Schichten der Speicherzellen (30) eine Magnetisierung definierbar und steuerbar aufzuprägen, und

c) Zurückschreiben der extern gespeicherten Speicherinhalte in die jeweiligen Zellen (30) des Speicherbereichs (20).

19. Betriebsverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld (H) so in seiner Stärke, Orientierung und/oder Zeitdauer gesteuert eingestellt wird, dass jeder zu beaufschlagenden Speicherzelle (30) eine Magnetisierung (M) in Stärke und Orientierung definiert derart aufgeprägt wird, dass ein zuverlässiger Speicherbetrieb gewährleistet ist und/oder dass insbesondere die jeweilige Magnetisierung (M) hartmagnetischer Schichten (31h) der Speicherzellen (30) zur Sollmagnetisierung (Msoll) hin reorientiert und/oder verstärkt wird.

20. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a), b), c) des Betriebsverfahrens in, insbesondere regelmäßigen, zeitlichen Abständen wiederholt durchgeführt werden, insbesondere in einem zeitlichen Abstand von einem Jahr oder weniger und/oder auf explizite Anforderung, insbesondere durch einen Benutzer hin.