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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine MRAM-Speicherzelle aus zwei
Magnetschichten, die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht
getrennt sind und von denen erste Magnetschicht sich hartmagnetisch
und die andere, zweite Magnetschicht sich weichmagnetisch verhalten,
so dass durch den Magnetisierungszustand der zweiten Magnetschicht
in Bezug auf den Magnetisierungszustand der ersten Magnetschicht
Information speicherbar ist.
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MRAMs
(= Magnetic Random Access Memory) werden seit geraumer Zeit als
Alternative zu dynamischen Halbleiterspeichern (HL-DRAMs) diskutiert,
da sie im Vergleich zu HL-DRAMs spezielle Vorteile bieten: MRAMs
sind nichtflüchtige
Speicher, bei denen im Gegensatz zu HL-DRAMs kein Refreshvorgang
zur Informationserhaltung erforderlich ist. MRAMs haben weiterhin
Speicherzellen mit einem sehr übersichtlichen
Aufbau aus zwei Magnetschichten, die durch eine Zwischenschicht
voneinander getrennt sind. Schließlich sind MRAMs gegenüber Strahlungen
resistent, das heißt,
bei ihnen ist Informationserhaltung auch bei Strahlungseinfall gewährleistet.
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2 zeigt den Aufbau einer üblichen MRAM-Speicherzelle
mit einer ersten Magnetschicht M1, einer zweiten Magnetschicht M2
und einer Zwischenschicht ZS. Die erste Magnetschicht M1 ist mit einer
Antiferromagnetschicht AF stark gekoppelt und besteht, wie die zweite
Magnetschicht M2, aus einem Ferromagneten. Die Zwischenschicht ZS
ist nichtmagnetisch und besteht aus einem Oxid, wie beispielsweise
Siliziumdioxid, Kupfer und so weiter. Für die beiden Magnetschichten
M1 und M2 können Ni-Fe-Verbindungen
verwendet werden, während
geeignete Materialien für
die Antiferromagnetschicht AF beispielsweise NiO oder Fe-Ni-Mn sind.
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Die
Schichtdicke der beiden Magnetschichten M1 und M2 kann jeweils etwa
10 nm betragen, während
die Zwischenschicht ZS erheblich dünner ist und eine Schichtdicke
von 1 bis 2 nm hat. Die Antiferromagnetschicht AF kann eine Schichtdicke
von beispielsweise 50 nm aufweisen.
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Die
Magnetschicht M1 verhält
sich infolge ihrer Kopplung zur Antiferromagnetschicht AF hartmagnetisch,
während
das Verhalten der zweiten Magnetschicht M2 weichmagnetisch ist.
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Ein
elektrischer Strom, der in 2 in
vertikaler Richtung durch das Magnetschichtpaket mit der Antiferromagnetschicht
AF, der ersten Magnetschicht M1, der Zwischenschicht ZS und der
zweiten Magnetschicht M2 fließt,
erfährt
abhängig
davon, ob die Magnetisierungen in den beiden Magnetschichten M1
und M2 parallel oder antiparallel zueinander sind, einen unterschiedlichen
elektrischen Widerstand. So ist der Widerstand niedriger, wenn diese
beiden Magnetisierungen parallel sind, während ein höherer elektrischer Widerstand
vorliegt, wenn die Magnetisierungen antiparallel verlaufen.
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Die
Zwischenschicht ZS dient zur Steuerung der Kopplung der beiden Magnetschichten
M1 und M2 sowie des Widerstandswertes, der von dem Magnetschichtpaket
geliefert wird.
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3 veranschaulicht, wie einzelne
Zellen Z1 bis Z4 zwischen Leiterbahnen L1, L2 einerseits und Leiterbahnen
L3, L4 andererseits gelegen sind. Durch die Leiterbahn L1 fließt beispielsweise
ein Strom I1, während
durch die Leiterbahn L3 ein Strom I3 geführt ist. Zwischen den Leiterbahnen
L1 und L3 liegt die Speicherzelle Z1. Zur Vereinfachung sind von
dieser Speicherzelle Z1 wie auch von den Speicherzellen Z2 bis Z4
lediglich die Magnetschicht M1, die Zwischenschicht ZS und die Magnetschicht
N2 schematisch gezeigt. Die Antiferromagnetschicht AF kann bei Bedarf
ebenfalls vorhanden sein. Sie kann aber entfallen, wenn die Magnetschicht
M1 entsprechende hartmagnetische Eigenschaften hat.
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Selbstverständlich ist
es auch möglich,
die Magnetschicht M2 mit hartmagnetischen Eigenschaften zu versehen,
wenn die Magnetschicht M1 dann weichmagnetisch gestaltet ist.
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Der
Strom I1, der durch die Leiterbahn L1 fließt, erzeugt ein Magnetfeld
H1, während
der Strom I3, der durch die Leiterbahn L3 geschickt ist, ein Magnetfeld
H3 liefert. Die beiden Magnetfelder H1 und H3 überlagern einander in der Magnetschicht
M2. Stärke
und Richtung des überlagerten
Feldes in der Magnetschicht M2 hängen
nun von Stärke
und Richtung des Stromes I1 in der Leiterbahn L1 und des Stromes
I3 in der Leiterbahn L3 ab. Entsprechend stellt sich die Magnetisierung
in der Magnetschicht M2 parallel oder antiparallel zu der vorgegebenen Magnetisierungsrichtung
in der Magnetschicht M1 ein. Dies bedeutet wiederum, dass bei paralleler
Orientierung der Magnetisierungen in den Magnetschichten M1 und
M2 ein relativ niedriger elektrischer Widerstand des Magnetschichtpaketes
vorliegt, während
bei antiparalleler Ausrichtung dieser Magnetisierungen ein höherer elektrischer
Widerstand des Magnetschichtpaketes gegeben ist. Abhängig von der
Magnetisierungsrichtung in der Magnetschicht M2 kann also so zwischen
einer "1" und einer "0" unterschieden werden, wobei der eine
binäre
Wert einem niedrigen Widerstandswert und der andere binäre Wert
einem höheren
Widerstandswert zugeordnet ist.
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Das
Auslesen der Speicherzelle Z1 kann mit Hilfe eines unterkritischen
Stromes erfolgen, der beispielsweise durch die Leiterbahn L1, die
Speicherzelle Z1 und die Leiterbahn L3 fließt. Mit diesem unterkritischen
Strom wird der Widerstandswert des elektrischen Widerstandes in
Abhängigkeit
vom Magnetisierungszustand der Magnetschicht M2 detektiert.
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Dieses
MRAM-Konzept ist mit einem relativ geringen technologischen Aufwand
realisierbar und weist den erheblichen Vorteil auf, dass die Speicherung
mit Hilfe der Magnetisierungsrichtung in der Magnetschicht M2 im
Gegensatz zu der Elektro nenspeicherung beim DRAM-Konzept nicht flüchtig ist,
so dass Refresh-Operationen entfallen können.
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Nachteile
derzeitiger MRAMs betreffen insbesondere die Stabilität der gespeicherten
Information und die Speicherdichte:
So ist die Koerzitivfeldstärke Hc der
aus ferromagnetischen Materialien gebildeten Magnetschichten M1 und
M2 sehr klein. Dies hat zwar den Vorteil, dass beim Schreiben des
Speichers die Programmierströme
I1 bzw. I3 relativ klein gehalten werden können. Jedoch kann die Information
in der weichmagnetischen bzw. kopplungsfreien Magnetschicht M2 wegen
Mangel an Stabilität
durch äußere Einflüsse verloren
gehen. Denn ein Umschalten der Magnetisierung der Magnetschicht
M2 ist gegebenenfalls möglich,
da dieses Umschalten bei kleiner Koerzitivfeldstärke bei entsprechenden äußeren Einflüssen ohne weiteres
erfolgen kann.
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Weiterhin
ist bei einem hohen Miniaturisierungsgrad, also bei einer großen Speicherdichte,
die an sich immer angestrebt wird, ein Übersprechen durch das Schreiben
von benachbarten Speicherzellen durchaus möglich. Dies ist durch die relativ
kleine Koerzitivfeldstärke
Hc sowie durch deren herstellungsbedingte Streuung hervorgerufen.
Dieser unerwünschte
Effekt eines Schreibens benachbarter Speicherzellen kann bei zu
geringem Abstand zwischen den Speicherzellen noch durch die magnetische
Bipol-Wechselwirkung der ferromagnetischen Bits verstärkt werden.
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Es
sei noch erwähnt,
dass bekanntlich ferrimagnetische Materialien andere magnetische
Eigenschaften als ferromagnetische Materialien haben.
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Ferrimagnetische
Materialien besitzen zunächst
viel kleinere magnetische Momente als ferromagnetische Materialien.
Die Sättigungsmagnetisierung
MSättigung von
ferromagnetischen Materialien nimmt mit steigender Temperatur T
kontinuierlich ab und fällt
dann bei der so genannten Curie-Temperatur TCurie,
also bei der kritischen Temperatur, bei der das magnetische Moment
verschwindet, auf den Wert 0 ab. TCurie ist
bei Ferrimagneten in der Regel deutlich kleiner als bei Ferromagneten.
Dieser Verlauf der Sättigungsmagnetisierung
MSättigung in
Abhängigkeit von
der Temperatur T ist in 4 schematisch gezeigt. Weiterhin
ist bei ferrimagnetischen Materialien die Koerzitivfeldstärke Hc nur
nahe der Curietemperatur TCurie klein, während sie
mit niedriger werdenden Temperaturen zunimmt. Das heißt, die
Koerzitivfeldstärke
Hc fällt
mit zunehmender Temperatur T ab und erreicht bei der Curie-Temperatur
TCurie schließlich den Wert Null. Entsprechend
ist der Verlauf der Hysteresis-Schleife bei höheren Temperaturen im Bereich
der Curie-Temperatur TCurie schmal, während diese
Schleife bei niedrigeren Temperaturen breiter ist. Dieses Verhalten
der Koerzitivfeldstärke
Hc in Abhängigkeit
von der Temperatur T ist schematisch in 5 gezeigt.
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Im
einzelnen ist in der
US
6,385,082 B1 eine MRAM-Speicherzelle
beschrieben, bei welcher ferrimagnetische Materialien als reversible
bzw. weichmagnetische Schicht vorgeschlagen sind. Dabei wird auch
ausdrücklich
auf den Unterschied dieser ferrimagnetischen Materialien zu antiferromagnetischen Materialien
verwiesen: Ferrimagnetische Materialien werden als vollkommen verschieden
von antiferromagnetischen Materialien bezeichnet.
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Weiterhin
beschäftigt
sich die US 2002/0089874 A1 mit dem thermisch unterstützten Schalten
von magnetischen Speicherelementen. Diese magnetischen Speicherelemente
verwenden aber keine ferrimagnetischen Materialien.
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Aus
der
US 6,178,073 B1 ist
ein MR-(Magnetwiderstand-)Element bekannt, bei dem eine "freie" Magnetschicht, eine
unmagnetische Schicht, eine feste Magnetschicht und eine die Magnetisierung
festlegende Schicht übereinandergestapelt sind.
Die die Magnetisierung festlegende Schicht kann dabei aus einer antiferromagnetischen
Schicht und einer ferrimagnetischen Schicht bestehen. Sie kann auch
aus mehreren ferrimagnetischen Schichten aufgebaut sein.
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Schließlich ist
noch aus der
US 6,385,082
B1 eine MRAM-Speicherzelle
bekannt, bei der die Magnetschichten aus ferrimagnetischem Material
gebildet sind, während
in der
DE 101 28 964
A1 ferrimagnetische Magnetschichten beschrieben sind, die
jeweils aus Mehrschichtsystemen gebildet sind, und in der
EP 0 783 112 A2 eine
TMR-Zelle offenbart ist, bei der eine Ferrimagnetschicht mit einer
Antiferromagnetschicht versehen ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine MRAM-Speicherzelle zu
schaffen, die sich durch eine besonders hohe Stabilität der gespeicherten
Information und eine große
mögliche
Speicherdichte auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird bei einer MRAM-Speicherzelle der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß durch
die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den
Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße MRAM-Speicherzelle zeichnet
sich speziell durch die folgenden Merkmale aus:
Anstelle von
ferromagnetischen Materialien werden für die Magnetschichten ferrimagnetische
Materialien eingesetzt.
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Weiterhin
wird für
die Magnetschichten jeweils ein Viellagenpaket vorgesehen. Das heißt, die Magnetschichten
werden beide durch ein aus Einzelschichtpaaren bestehendes Viellagenpaket
aus jeweils einer Vielzahl von Einzelschichten gebildet, so dass
durch Änderung
der Schichtdickenverhältnisse dieser
Einzelschichten und/oder durch Änderung
der Summe der Schichtdicken der Einzelschichten die magnetischen
Eigenschaften der jeweiligen Magnetschicht steuerbar sind.
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Schließlich wird
bei der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle
das Temperaturverhalten der ferrimagnetischen Materialien der Magnetschichten ausgenutzt.
Das heißt,
auch das thermomagnetische Verhalten der ferrimagnetischen Materialien
wird für das
Schreiben von Informationen ausgewertet.
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Da
ferrimagnetische Materialien ein sehr viel kleineres magnetisches
Moment als ferromagnetische Materialien haben, fällt die magnetische Dipolwechselwirkung
zwischen benachbarten Speicherzellen praktisch nicht ins Gewicht.
Das heißt,
störende
Effekte zwischen Nachbarzellen können
weitgehend ausgeschlossen werden.
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Weiterhin
ist bei ferrimagnetischen Materialien in der Nähe der Curie-Temperatur TCurie ein Ummagnetisieren und damit ein Schreiben
bzw. Überschreiben
sehr einfach realisierbar. Da aber die Koerzitivfeldstärke Hc nur
nahe der Curie-Temperatur TCurie, also im
Schreibbereich, sehr klein ist, während sie bei niedriger Temperatur
zunimmt, bleibt bei der Betriebstemperatur einer Speicherzelle bzw.
beim Schreiben von benachbarten Speicherzellen die Information der
Speicherzelle sehr stabil. Durch die Viellagenstruktur der einzelnen
Magnetschichten lässt
sich zudem die Koerzitivfeldstärke
Hc bei einer festen Temperatur durch die chemische Zusammensetzung
der Einzelschichten ohne weiteres steuern.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle,
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2 eine
schematische Darstellung einer herkömmlichen MRAM-Speicherzelle,
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3 mehrere
MRAM-Speicherzellen in einem Speicherzellenfeld in Perspektive,
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4 den
Verlauf der Sättigungsmagnetisierung
MSättigung in
Abhängig
von der Temperatur T für ferrimagnetische
Materialien und
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5 den
Verlauf der Koerzitivfeldstärke
Hc in Abhängigkeit von der Temperatur
T für ferrimagnetische
Materialien.
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Die 2 bis 5 sind
bereits eingangs erläutert
worden. In den Figuren werden für
einander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen
verwendet.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Speicherzelle
Z1 auf einer Leiterbahn L1. Die Speicherzelle weist eine Magnetschicht MLl
auf einer Antiferromagnetschicht AF, eine Zwischenschicht ZS und
eine zweite Magnetschicht ML2 auf der Zwischenschicht ZS auf.
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Die
Antiferromagnetschicht AF, die Magnetschicht MLl und die Magnetschicht
ML2 bestehen jeweils aus einem Viellagenpaket. Das heißt, die
Antiferromagnetschicht AF besteht aus Schichtpaaren λ, die Magnetschicht
ML1 weist Schichtpaare λ1
auf, und die Magnetschicht ML2 ist aus Schichtpaaren λ2 aufgebaut.
Die Schichtpaare λ bestehen
aus Einzelschichten λa, λb, die Schichtpaare λ1 weisen
Einzelschichten λ1a, λ1b auf, und
die Schichtpaare λ2
sind aus Einzelschichten λ2a
und λ2b
aufgebaut. Die Einzelschichten λa
und λb haben
Schichtdicken t1 bzw. t2, die Einzelschichten λ1a, λ1b weisen Schichtdicken t11
bzw. t12 auf und die Einzelschichten λ2a und λ2b sind mit Schichtdicken t21
bzw. t22 versehen.
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Für die Einzelschichten λa, λ1a und λ2a kann beispielsweise
als geeignetes Material Gd gewählt werden,
während
ein zweck mäßiges Material
dann für
die Einzelschichten λb, λ1b und λ2b Fe ist.
Das heißt,
eine binäre
Kombination von Gd/Fe ist für
die einzelnen Viellagenpakete zweckmäßig.
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Die
magnetischen Eigenschaften lassen sich nun durch Änderung
der Einzelschichtdickenverhältnisse
t1/t2, t11/t12 und t21/t22 für
die Antiferromagnetschicht AF, die Magnetschicht ML1 und die Magnetschicht
ML2 jeweils in gewünschter
Weise einstellen. Gleiches gilt auch für eine Änderung der Summe der Einzelschichtdicken,
also t1 + t2 für
das Schichtpaar λ in
der Antiferromagnetschicht AF, t11 + t12 für das Schichtpaar λ1 in der
ersten Magnetschicht ML1 und für
t21 + t22 für
das Schichtpaar λ2
in der zweiten Magnetschicht ML2. Mit anderen Worten, durch Änderung
der Einzelschichtdickenverhältnisse
bzw. der jeweiligen Summen der Einzelschichtdicken lässt sich
die chemische Zusammensetzung in den jeweiligen Schichten, also
in der Antiferromagnetschicht AF, der ersten Magnetschicht MLl und
der zweiten Magnetschicht ML2 in gewünschter Weise einstellen.
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Geeignete
Werte für
die Schichtdickenpaare λ liegen
in der Größenordnung
von 2,5 nm und für λ1 und λ2 in der
Größenordnung
von 1,5 nm, wobei die beiden Einzelschichten jeweils ungefähr die gleiche Schichtdicke
haben, so dass tl/t2 = tll/t12 = t21/t22 = 1 gilt. Selbstverständlich sind
aber auch hiervon abweichende Werte möglich. Auch können die
Schichtdickenverhältnisse
in der Antiferromagnetschicht AF, der ersten Magnetschicht ML1 und
der zweiten Magnetschicht ML2 jeweils voneinander abweichen. Gleiches
gilt selbstverständlich
auch für
die Schichtdicken.
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Die
Gesamtschichtdicke der ersten Magnetschicht ML1 sowie die Gesamtschichtdicke
der zweiten Magnetschicht ML2 kann in der Größenordnung bis zu 10 nm liegen.
Wird dann für
ein Schichtpaar eine Schichtdicke zwischen 1 nm und 1,5 nm angenommen,
so weist die erste Magnetschicht ML1 bzw. die zweite Magnet schicht
ML2 jeweils einen Stapel von insgesamt ungefähr fünf Schichtpaaren auf.
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Eine
typische Dicke für
die Antiferromagnetschicht AF liegt zwischen 30 und 50 nm und vorzugsweise
zwischen 35 und 40 nm. Hier können
dann beispielsweise ungefähr
15 Schichtpaare λ vorgesehen sein.
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Wesentlich
an der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle
ist nun, dass sich unterschiedliche magnetische Eigenschaften der
Antiferromagnetschicht AF, der ersten Magnetschicht ML1 und der zweiten
Magnetschicht ML2 durch Variation der Einzelschichtdicken tl/t2,
tll/tl2 und t21/t22, also letztlich durch Variation der chemischen
Zusammensetzung, und/oder durch Variation der Schichtdicken t1 +
t2, t11 + t12 und t21 + t22, also der Schichtdicken der Schichtpaare,
einstellen lassen.
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Mit
lediglich zwei Grundmaterialien, also beispielsweise Gd, Fe, das
heißt
zwei Quellen bzw. Targets in einer Beschichtungsanlage, kann die
erfindungsgemäße MRAM-Speicherzelle
aus Magnetschichten hergestellt werden, welche unterschiedliche
magnetische Eigenschaften haben. Hierzu ist es lediglich erforderlich,
die Beschichtungszeiten für jede
Einzelschicht individuell anzupassen und die alternierende Beschichtung
mittels der beiden Materialien in den jeweiligen Vielschichtpaketen
zu realisieren.
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Bei
der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle
wird in vorteilhafter Weise die stärkere Temperaturabhängigkeit
ferrimagnetischer Materialien (GdFe) beim Schreibvorgang genutzt:
während
bei einem herkömmlichem
MRAM lediglich die induzierten Magnetfelder für das Schreiben (vgl. H1 bzw.
H3 in 3) und der elektrische Strom bzw. der elektrische
Widerstand der Speicherzelle für
das Auslesen verwendet werden, wird bei der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle
der thermische Aspekt speziell beim Schreibprozess ausgenutzt. Fließt nämlich ein elektrischer
Strom durch ein Metall, so erwärmt
sich dieses, was grundsätzlich
auch für
die Leiterbahnen gilt, die zu den Speicherzellen führen. Die
Stellgrößen zum
Steuern der Temperatur sind dabei der elektrische Strom und die
geometrischen Abmessungen der Leiterbahnen. Insbesondere bei extrem
dünnen Schichten
kann so die Wärmeentwicklung
beträchtlich
sein.
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Bei
der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle
lassen sich die Abmessungen der Leiterbahnen so einstellen, dass
diese erwärmt
werden. Wird dann die Magnetschicht ML2 mit den weichmagnetischen
Eigenschaften auf eine Temperatur in der Nähe der Curie-Temperatur TCurie aufgeheizt, so lässt sich die Magnetisierung
in dieser Magnetschicht ML2 sehr einfach umschalten. Das heißt, es ist
ohne weiteres möglich,
die Speicherzelle zu beschreiben bzw. zu überschreiben.
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Nach
dem Schreibvorgang, das heißt
nach Abklingen des Schreibstromes kühlt die Speicherzelle wieder
ab, so dass eine große
Stabilität
der gespeicherten Information infolge der wesentlich höheren Koerzitivkraft
(vgl. 5) sichergestellt ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle
lässt sich
so durch thermomagnetisch unterstütztes Schreiben eine große Stabilität von geschriebenen
Bits bei extrem kleinen Dimensionen erzielen. Damit kann die Zellengröße erheblich
reduziert werden.