DE10338729B4 - Magnetspeichervorrichtung mit größerer Referenzzelle - Google Patents

Magnetspeichervorrichtung mit größerer Referenzzelle Download PDF

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Abstract

Magnetspeicher (20; 120; 220) mit:
einer Speicherzelle (28; 128; 228), die einen eine Speicherzellerfassungsschicht (60), eine Speicherzellbarriereschicht (62) und eine Speicherzellreferenzschicht (64) umfassenden Speicherzellstapel (44) umfasst und die einen Widerstandszustand bereitstellt;
einer oder mehreren Referenzzellen (26; 126a–126c; 226), die jeweils einen eine Referenzzellerfassungsschicht (54), eine Referenzzellbarriereschicht (56) und eine Referenzzellreferenzschicht (58) umfassenden Referenzzellstapel (42) umfassen, wobei die Fläche jeder Referenzzellbarrierenschicht wesentlich grösser als die der Speicherzellbarrierenschicht ist und die einen oder mehrereren Referenzzellen einen Referenzwiderstandswert zum Bestimmen des Widerstandszustandes der Speicherzelle bereitstellen; und
einem Erfassungsschaltungsaufbau zum Skalieren von Widerstandswerten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf nichtflüchtige Speichervorrichtungen und insbesondere auf Speichervorrichtungen, die Magnetspeicherzellen verwenden.
  • Ein Typ eines nicht-flüchtigen Speichers, der in der Technik bekannt ist, beruht auf Magnetspeicherzellen. Diese Vorrichtungen, die als Magnetdirektzugriffsspeicher-(MRAM-)Vorrichtungen bekannt sind, umfassen ein Array von Magnetspeicherzellen. Die Magnetspeicherzellen können unterschiedlicher Art sein. Beispiele sind eine MTJ-Speicherzelle (MTJ = Magnetic Tunnel Junction = magnetischer Tunnelübergang) oder eine GMR-Speicherzelle (GMR = Giant Magnetoresistive = riesig magnetoresistiv).
  • Im allgemeinen umfasst die Magnetspeicherzelle eine Schicht eines Magnetfilmes, in der die Ausrichtung einer Magnetisierung veränderbar ist, und eine Schicht eines Magnetfilms, in der die Ausrichtung einer Magnetisierung festgelegt oder in einer bestimmten Richtung "festgenagelt" (gepinnt) ist. Der Magnetfilm, der eine veränderbare Magnetisierung aufweist, wird als eine Erfassungsschicht oder Datenspeicherschicht bezeichnet und der Magnetfilm, der fest ist, wird als eine Referenzschicht oder festgenagelte (gepinnte) Schicht bezeichnet. Eine Barriereschicht trennt die Erfassungsschicht und die Referenzschicht.
  • Leitfähige Bahnen, die als Wortleitungen und Bitleitungen bezeichnet werden, sind über das Array von Speicherzellen geführt. Wortleitungen erstrecken sich entlang Zeilen der Speicherzellen und Bitleitungen erstrecken sich entlang Spalten der Speicherzellen. Eine Speicherzelle speichert ein Bit Informationen als eine Ausrichtung einer Magnetisierung in einer Erfassungsschicht an jedem Schnittpunkt einer Wortleitung und einer Bitleitung. Die Ausrichtung einer Magnetisierung in der Erfassungsschicht ist entlang einer Achse der Erfassungsschicht ausgerichtet, die als ihre leichte Achse (Easy-Achse) bezeichnet wird. Die Ausrichtung einer Magnetisierung verändert sich entlang einer Achse orthogonal zu der leichten Achse, die als die schwere Achse (Hard-Achse) bezeichnet wird, nicht ohne weiteres. Magnetfelder werden angelegt, um die Ausrichtung einer Magnetisierung in der Erfassungsschicht entlang ihrer leichten Achse zu entweder einer parallelen oder antiparallelen Ausrichtung bezüglich der Ausrichtung der Magnetisierung in der Referenzschicht zu drehen.
  • Leitfähige Bahnen, die als Schreibleitungen bezeichnet werden, sind über das Array von Speicherzellen geleitet, um beim Drehen der Ausrichtung einer Magnetisierung in Erfassungsschichten zu helfen. Schreibleitungen erstrecken sich entlang Spalten von Speicherzellen nahe ihrer Referenzschichten und parallel zu Bitleitungen. Wortleitungen, die sich entlang Zeilen der Speicherzellen erstrecken, sind nahe an den Erfassungsschichten. Eine Speicherzelle befindet sich an jedem Schnittpunkt einer Schreibleitung und einer Wortleitung. Die Schreibleitungen und Wortleitungen sind elektrisch mit einer Schreibschaltung gekoppelt.
  • Während einer Schreiboperation wählt die Schreibschaltung eine Wortleitung und eine Schreibleitung aus, um die Ausrichtung einer Magnetisierung in der Erfassungsschicht der Speicherzelle, die sich an dem Schnittpunkt der Leiter befindet, zu verändern. Die Schreibschaltung liefert Schreibströme an die ausgewählte Wortleitung und Schreibleitung, um Magnetfelder in der ausgewählten Speicherzelle zu erzeugen. Diese Schreibströme können betragsmäßig gleich oder unterschiedlich sein. Die Magnetfelder kombinieren sich, um die Ausrichtung einer Magnetisierung in der ausgewählten Speicherzelle von parallel zu antiparallel oder umgekehrt umzuschalten.
  • Der Widerstandswert durch eine Speicherzelle unterscheidet sich gemäß der Parallel- oder Antiparallel-Ausrichtung einer Magnetisierung der Erfassungsschicht und der Referenzschicht. Dieser Widerstandswert ist am höchsten, wenn die Ausrichtung antiparallel ist, d. h. Logik(1)-Zustand, und am geringsten, wenn die Ausrichtung parallel ist, d. h. Logik(0)-Zustand. Der Widerstandslogikzustand der Speicherzelle kann durch ein Erfassen des Widerstandswertes der Speicherzelle bestimmt werden.
  • Wortleitungen und Bitleitungen unterstützen eine Erfassung des Widerstandswertes einer Speicherzelle. Wortleitungen, die sich entlang Zeilen erstrecken, sind elektrisch mit Erfassungsschichten gekoppelt und Bitleitungen, die sich entlang Spalten erstrecken, sind elektrisch mit Referenzschichten gekoppelt. Wortleitungen und Bitleitungen sind außerdem elektrisch mit einer Leseschaltung gekoppelt, um den Widerstandswert und Zustand einer Speicherzelle zu bestimmen.
  • Während einer Leseoperation wählt die Leseschaltung eine Wortleitung und eine Bitleitung, um den Widerstandswert der Speicherzelle, die an dem Schnittpunkt der Leiter angeordnet ist, zu bestimmen. Die Leseschaltung kann eine Spannung über die ausgewählte Speicherzelle liefern, um einen Strom durch die Speicherzelle zu erzeugen. Die Leseschaltung erfaßt diesen Erfassungsstrom, der den Widerstandswert der Speicherzelle darstellt. Bei einer Konfiguration wird dieser Widerstandswert mit einem Referenzwiderstandswert verglichen, um den Zustand der Speicherzelle zu bestimmen. Der Referenzwiderstandswert wird verwendet, um einen Hochwiderstandszustand von einem Niedrigwiderstandszustand zu unterscheiden, was eine herausfordernde Aufgabe sein kann.
  • Der Widerstandswert durch eine Speicherzelle variiert von Zelle zu Zelle in dem gleichen Array und Speichervorrichtung zu Speichervorrichtung. Dieser Widerstandswert ist abhängig von einer Barriereschichtdicke und einer Speicher- Speicherzellenfläche. Die Barriereschicht ist eine sehr dünne isolierende Schicht zwischen der Erfassungsschicht und der Referenzschicht. Diese isolierende Schicht kann Aluminiumoxid sein, das nur ein oder mehrere 10–10 m (Angstrom) dick ist. Der Widerstandswert einer Speicherzelle variiert exponentiell mit der Dicke der Barriereschicht. Eine Veränderung der Barriereschichtdicke von nur 2% kann den Widerstandswert durch die Speicherzelle um einen Faktor 2 verändern. Selbst mit strengen Steuerungen kann der Widerstandswert durch Speicherzellen in einer Vorrichtung stark von dem Widerstandswert durch Speicherzellen in einer anderen Vorrichtung variieren. Aus diesem Grund ist ein Verwenden eines Widerstandswertes für alle Vorrichtungen nicht praktisch. Um darum herumzukommen, wurden Speicherzellen umgewandelt, um als Referenzzellen verwendet zu werden. Diese Referenzzellen werden verwendet, um eine Referenzwiderstandswert für ein bestimmtes Array oder einen Satz von Speicherzellen zu erhalten. Der Widerstandswert durch Speicherzellen in dem gleichen Array variiert jedoch von Zelle zu Zelle aufgrund von Barriereschichtdickeänderungen. Ausserdem ist der Widerstandswert durch eine Speicherzelle abhängig von der Speicherzellenfläche und Speicherzellenlängen und -breiten in dem gleichen Array variierend von Zelle zu Zelle aufgrund von Photolithographieeinschränkungen. Aus diesen Gründen kann ein Speicherzellenwiderstandswert, der in einen Referenzzellenwiderstandswert umgewandelt ist, unter Umständen nicht angemessen zum Unterscheiden eines Hochwiderstandszustandes von einem Niedrigwiderstandszustand sein.
  • Aus der WO 02/073620 A2 , aus der WO 02/069343 A1 und aus der Veröffentlichung „Fully Integrated 64 Kb MRAM with Novel Reference Cell Scheme" von H. S. Jeong et al. (International Electron Device Meeting, 8.–11. Dez. 2002, 551–554, DOI: 10, 1109/IEDM.2002.1175901) ist ein Magnetspeicher bekannt, bei dem eine Referenzschaltung einen Widerstandswert genau zwischen dem hohen Widerstandswert und dem niedrigen Widerstandswert einer Speicherzelle bereitstellt. Jede einzelne der in der Referenzschaltung verwendeten Speicherzellen nimmt dabei die gleiche Fläche wie jede der anderen Speicherzellen ein.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetspeicher zu schaffen, mit deren Hilfe Widerstandswerte durch Speicherzellen einfacher und genauer gemessen werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Magnetspeicher gemäss Anspruch 1 oder 15 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liefern einen Magnetspeicher. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Magnetspeicher eine Speicherzelle, die konfiguriert ist, um einen Widerstandszustand zu liefern, und eine Referenzzelle auf. Die Referenzzelle ist wesentlich größer als die Speicherzelle und konfiguriert, um einen Referenzwiderstandswert zum Bestimmen des Widerstandszustands der Speicherzelle zu liefern.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei die Elemente der Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu bezüglich einander sind und gleiche Bezugszeichen entsprechende ähnliche Teile bezeichnen. Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Magnetspeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 eine perspektivische Ansicht, die ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Arrayabschnitts gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 3 ein Diagramm, das einen Querschnitt des exemplarischen Ausführungsbeispiels des Arrayabschnitts gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 4 ein Blockdiagramm, das ein weiteres exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Magnetspeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 5 ein Blockdiagramm, das ein weiteres exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Magnetspeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 6 einen Graphen, der eine Widerstandswertvarianz gegenüber einer Zellfläche für Magnetspeicherzellen, die Referenzzellen oder Speicherzellen in einem Array sein können, gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Magnetspeichervorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Magnetspeichervorrichtung 20 umfaßt ein Magnetspeicherzellarray 22, das elektrisch mit einer Leseschaltung 24 und einer Schreibschaltung (zur Klarheit nicht gezeigt) gekoppelt ist. Das Array 22 umfaßt eine Magnetreferenzzelle 26 und Magnetspeicherzellen 28, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die Leseschaltung 24 umfaßt einen Zeilendecodierer 30 und eine Spaltendecodierer- und Erfassungsschaltung, bei 32 angezeigt. Der Zeilendecodierer 30 und der Spaltendecodierer 32 sind elektrisch mit Zeilen- und Spaltenleseleitern gekoppelt, die sich an der Referenzzelle 26 und Speicherzellen 28 schneiden.
  • Die Referenzzelle 26 und die Speicherzellen 28 werden während des gleichen Prozesses hergestellt und weisen im allgemeinen die gleiche Barriereschichtdicke auf. Die Referenzzelle 26 ist wesentlich größer als jede Speicherzelle 28 und der Widerstandswert durch die Referenzzelle 26 ist proportional zu dem Widerstandswert durch jede Speicherzelle 28. Aufgrund ihrer größeren Größe umfaßt die Referenzzelle 26 Variationen einer Barriereschichtdicke, die in den Speicherzellen 28 über das Array 22 vorhanden sind. Die Referenzzelle 26 weist eine durchschnittliche Barriereschichtdicke auf, die in etwa gleich der durchschnittlichen Barriereschichtdicke für das Array 22 ist. Außerdem wird die größere Fläche der Referenzzelle 26 nur wenig durch Photolithographievariationen beeinflußt; dies führt zu einem genauen Referenzwiderstandswert von einer Vorrichtung zu einer anderen. Aus diesen Gründen ist der Widerstands wert durch die Referenzzelle 26 ein genauer Referenzwiderstandswert, der skaliert werden kann, um den Zustand jeder Speicherzelle 28 in dem Array 22 zu erfassen.
  • Während einer Leseoperation wählt die Leseschaltung 24 den Zeilenleiter und den Spaltenleiter aus, die sich bei der Referenzzelle 26 schneiden. Der Widerstandswert durch die Referenzzelle 26 wird charakterisiert und ein Wert, der den Widerstandswert darstellt, wird bestimmt. Dieser Wert wird wie erwünscht skaliert und als ein Schwellenwert gespeichert. Als nächstes wählt die Leseschaltung 24 einen Zeilenleiter und einen Spaltenleiter aus, die sich bei einer ausgewählten Speicherzelle 28 schneiden. Der Widerstandswert durch die ausgewählte Speicherzelle 28 wird charakterisiert und gegenüber einem Schwellenwert geprüft, um den Widerstandszustand oder logischen Zustand (1 oder 0) der ausgewählten Speicherzelle 28 zu bestimmen. Während dieser Leseoperation wird der Widerstandswert durch die ausgewählte Speicherzelle 28 nur einmal charakterisiert. Außerdem kann der Schwellenwert mehrere Male verwendet werden, um den Zustand vieler Speicherzellen 28 zu bestimmen. Aus diesen Gründen werden Zeit und Leistung eingespart.
  • Die Magnetspeichervorrichtung 20 umfaßt ein Magnetspeicherzellarray 22 mit einer Magnetreferenzzelle 26 und einer Mehrzahl von Magnetspeicherzellen 28. Die Speicherzellen 28 sind in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei sich Zeilen entlang einer x-Richtung erstrecken und Spalten sich entlang einer y-Richtung erstrecken. Eine Referenzzelle 26 ist in der Ecke des Arrays 22 gezeigt. In der Praxis können mehr als eine Referenzzelle 26 verwendet werden. Außerdem ist nur eine relativ kleine Anzahl von Speicherzellen 28 gezeigt, um die Darstellung der Magnetspeichervorrichtung 20 zu vereinfachen. In der Praxis können Arrays jeder Größe verwendet werden.
  • Leitfähige Bahnen, die als Wortleitungen 34a34c und Bitleitungen 36a36d fungieren, erstrecken sich über das Array 22. Die Wortleitungen 34a34c erstrecken sich entlang der x-Richtung in einer Ebene auf einer Seite des Arrays 22 und die Bitleitungen 36a36d erstrecken sich entlang der y-Richtung in einer Ebene auf einer gegenüberliegenden Seite des Arrays 22. Es gibt eine Wortleitung 34a34c für jede Zeile des Arrays 22 und eine Bitleitung 36a36d für jede Spalte des Arrays 22. Eine Speicherzelle 28 ist an jedem Schnittpunkt einer Wortleitung 34a34c und einer Bitleitung 36a36d angeordnet, mit der Ausnahme der Stelle, an der die Referenzzelle 26 positioniert ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Referenzzelle 26 an dem Schnittpunkt der Wortleitung 34a und der Bitleitung 36d positioniert. Bei anderen Ausführungsbeispielen jedoch ist die Referenzzelle 26 an einem unterschiedlichen Schnittpunkt von Wortleitung 34a34c und Bitleitung 36a36d positioniert oder aber die Referenzzelle 26 ist außerhalb des Arrays 22 an dem Schnittpunkt von Leseleitern positioniert, die keine Speicherzellen 28 schneiden. Außerdem umfaßt bei anderen Ausführungsbeispielen das Array 22 mehrere Referenzzellen 26, die innerhalb des gesamten Arrays 22 z. B. entlang einer Bitleitung 36d und an jedem Schnittpunkt mit Wortleitungen 34a34c positioniert sind. Exemplarische Ausführungsbeispiele der Magnetspeichervorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung sind später in dieser Spezifizierung detaillierter beschrieben.
  • Die Leseschaltung 24 ist elektrisch mit den Wortleitungen 34a34c und den Bitleitungen 36a36d gekoppelt, um die Referenzzelle 26 und die Speicherzellen 28 zu lesen. Die Leseschaltung 24 umfaßt einen Zeilendecodierer 30, der elektrisch mit den Wortleitungen 34a34c gekoppelt ist, und einen Spaltendecodierer 32, der elektrisch mit den Bitleitungen 36a36d gekoppelt ist. Der Spaltendecodierer 32 wird auch als eine Spaltendecodierer- und Erfassungsschaltung 32 bezeichnet.
  • Während einer Leseoperation wird der Widerstandswert durch eine ausgewählte Speicherzelle 28 charakterisiert und ge genüber einem Schwellenwert geprüft. Der Schwellenwert stellt den charakterisierten und skalierten Widerstandswert der Referenzzelle 26 dar. Der Zustand der ausgewählten Speicherzelle 28 wird aus dem Ergebnis bestimmt. Jede Anzahl von Schaltungen kann verwendet werden, um diese Leseoperation zu erzielen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer exemplarischen Leseschaltung und eines Verfahrens wählt der Zeilendecodierer 30 die Wortleitung 34a aus und koppelt die Wortleitung 34a mit Masse. Der Spaltendecodierer 32 wählt die Bitleitung 36d und koppelt die Bitleitung 36d mit einem Ladungsverstärker. Ein Integrierkondensator, der mit der anderen Seite des Ladungsverstärkers gekoppelt ist, wird auf eine bekannte Spannung geladen. Der Ladungsverstärker legt eine feste Spannung an die ausgewählte Bitleitung 36d an. Diese bewirkt, daß ein konstanter Erfassungsstrom durch die Referenzzelle 26 fließt. Der konstante Erfassungsstrom ist eine Funktion des Widerstandswertes durch die Referenzzelle 26. Der Erfassungsstrom entlädt den Integrierkondensator, dessen Spannungspegel mit einer Referenzspannung verglichen wird. Ein digitaler Erfassungsverstärker mißt die Zeit, die benötigt wird, um den Integrierkondensator auf die Referenzspannung zu entladen. Dieser Wert wird skaliert und als der Schwellenwert gespeichert. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Schwellenwert, der den Referenzwiderstandswert durch die Referenzzelle 26 darstellt, gemäß der Differenz einer Fläche zwischen der Referenzzelle 26 und den Speicherzellen 28 skaliert. Als nächstes wird die Wortleitung 34a von Masse getrennt und die Bitleitung 36d wird von dem Ladungsverstärker getrennt.
  • Um eine Speicherzelle 28 auszuwählen, wählt der Zeilendecodierer 30 eine Wortleitung 34a34c und koppelt dieselbe mit Masse und der Spaltendecodierer 32 wählt eine Bitleitung 36a36d aus und koppelt dieselbe mit einem Ladungsverstärker. Wie bei der Referenzzelle 26 legt der Ladungsverstärker eine feste Spannung an die ausgewählte Bitleitung 36a36d an, was dazu führt, daß ein konstanter Erfassungsstrom durch die ausgewählte Speicherzelle 28 fließt. Dieser Erfassungsstrom, der eine Funktion des Widerstandswertes durch die ausgewählte Speicherzelle 28 ist, entlädt einen Integrierkondensator. Ein digitaler Erfassungsverstärker mißt die Zeit, die es dauert, um den Integrierkondensator auf eine Referenzspannung zu entladen, und prüft diesen Wert gegenüber dem Schwellenwert. Das Ergebnis bestimmt den Widerstandszustand der ausgewählten Speicherzelle 28. Während dieser Operation liefert die Referenzzelle 26 einen proportionalen und genauen Referenzwiderstandswert zum Bestimmen des Schwellenwerts.
  • Eine Schaltung und ein Verfahren, die geeignet zum Erzielen dieser Leseoperation sind, sind in dem US-Patent Nr. 6,188,615 mit dem Titel „MRAM Device Including Digital Sense Amplifiers" (MRAM-Vorrichtung, die digitale Erfassungsverstärker umfaßt), ausgegeben an Perner u. a. am 13. Februar 2001 beschrieben
  • Die Speichervorrichtung 20 umfaßt außerdem Schreibleiter (zur Klarheit nicht gezeigt), die sich entlang der y-Richtung in einer Ebene an einer Seite des Arrays 22 erstrecken. Diese Schreibleiter sind elektrisch mit der Schreibschaltung zum Verändern der Ausrichtung einer Magnetisierung in den Speicherzellen 28 gekoppelt. Die Wortleitungen 34a34c, die sich entlang der x-Richtung an einer gegenüberliegenden Seite des Arrays 22 erstrecken, sind ebenso elektrisch mit der Schreibschaltung gekoppelt. Eine Magnetspeicherzelle 28 befindet sich an jedem Schnittpunkt eines Schreibleiters und einer Wortleitung 34a34c. Die Schreibleiter erstrecken sich nicht über die Referenzzelle 26 und der Zustand der Referenzzelle 26 wird nicht verändert.
  • Während einer Schreiboperation wählt die Schreibschaltung einen Schreibleiter und eine Wortleitung 34a34c aus, um die Ausrichtung einer Magnetisierung der Speicherzelle 28, die sich an dem Schnittpunkt befindet, zu verändern. Die Schreibschaltung liefert einen Schreibstrom an den ausgewählten Schreibleiter und einen zweiten Schreibstrom an die ausgewählte Wortleitung 34a34c. Diese Schreibströme erzeugen um den Schreibleiter und die Wortleitung 34a34c der Dreifingerregel der rechten Hand Magnetfelder, um die Ausrichtung einer Magnetisierung in der ausgewählten Speicherzelle 28 zu verändern.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Arrayabschnitts, bei 40 angezeigt, darstellt. Der Arrayabschnitt 40 umfaßt die Magnetreferenzzelle 26 und eine Magnetspeicherzelle 28. Die Referenzzelle 26 umfaßt eine Wortleitung 34a, eine Bitleitung 36d und einen Referenzzellstapel 42. Der Referenzzellstapel 42 ist zwischen der Wortleitung 34a und der Bitleitung 36d positioniert. Die Speicherzelle 28 umfaßt eine Wortleitung 34a, eine Bitleitung 36c und einen Speicherzellstapel 44. Der Speicherzellstapel 44 ist zwischen der Wortleitung 34a und der Bitleitung 36c positioniert. Die Wortleitung 34a ist als im wesentlichen orthogonal zu den Bitleitungen 36c und 36d dargestellt. Die Wortleitung 34a kann jedoch in anderen Winkelbeziehungen zu den Bitleitungen 36c und 36d liegen.
  • Der Referenzzellstapel 42 ist wesentlich größer als der Speicherzellstapel 44. Der Referenzzellstapel 42 weist eine Länge, bei 46 angezeigt, und eine Breite, bei 48 angezeigt, auf, wobei die Fläche des Referenzzellstapels 42 gleich der Länge 46 mal der Breite 48 ist. Der Speicherzellstapel 44 weist eine Länge, bei 50 angezeigt, und eine Breite, bei 52 angezeigt, auf, wobei die Fläche des Speicherzellstapels 44 gleich der Länge 50 mal der Breite 52 ist. Der Ausdruck wesentlich größer in dieser Spezifizierung ist so definiert, daß die Fläche des Referenzzellstapels 42 wesentlich größer ist, wobei dieselbe bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in etwa zumindest zweimal größer als die Fläche des Speicherzellstapels 44 in jeder Kombination der Längen 46 und 50 und Breiten 48 und 52 ist. Bei bevorzugten Ausfüh rungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die Länge 46 bis zu 10 mal länger als die Länge 50 und/oder die Breite 48 ist bis zu 10 mal breiter als die Breite 52. Dies führt dazu, daß die Fläche des Referenzzellstapels 42 viermal größer oder mehr als die Fläche des Speicherzellstapels 44 in jeder Kombination der Längen 46 und 50 und Breiten 48 und 52 ist. Es ist zu erkennen, daß die relativen Abmessungen des Referenzzellstapels 42 und des Speicherzellstapels 44 nicht auf spezifische Mehrfache, die hierin gegeben sind, eingeschränkt sind, und sich über 10 mal länger und/oder breiter hinaus erstrecken können. Prozeßeinschränkungen, die zu einem Variieren der Barriereschichtdicke führen, und die Längen und Breiten der Stapel 42 und 44 weisen eine geringere Auswirkung auf den größeren Referenzzellstapel 42 auf. Dies macht die größere Referenzzelle 42 geeignet zur Verwendung beim Bestimmen eines Vergleichs- oder Schwellenwertes.
  • 3 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt des exemplarischen Ausführungsbeispiels des Arrayabschnitts 40 darstellt. Der Arrayabschnitt 40 umfaßt eine Referenzzelle 26 und eine Speicherzelle 28. Die Referenzzelle 26 umfaßt einen Referenzzellstapel 42, der sich zwischen der Wortleitung 34a und der Bitleitung 36d befindet. Die Speicherzelle 28 umfaßt einen Speicherzellstapel 44, der sich zwischen der Wortleitung 34a und der Bitleitung 36c befindet. Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfaßt der Referenzzellstapel 42 eine Erfassungsschicht 54, eine Barriereschicht 56 und eine Referenzschicht 58. Die Barriereschicht 56 koppelt die Erfassungsschicht 54 elektrisch mit der Referenzschicht 58. Der Speicherzellstapel 44 umfaßt eine Erfassungsschicht 60, eine Barriereschicht 62 und eine Referenzschicht 64. Die Barriereschicht 62 koppelt die Erfassungsschicht 60 elektrisch mit der Referenzschicht 64.
  • Der Referenzzellstapel 42 ist wesentlich größer als der Speicherzellstapel 44. Ähnlich ist die Barriereschicht 56 wesentlich größer als die Barriereschicht 62, wobei wesent lich größer flächenmäßig zumindest etwa zweimal größer als zuvor definiert ist. Der Widerstandswert durch die Referenzzelle 26 oder die Speicherzelle 28 ist exponentiell abhängig von der Dicke der Barriereschicht 56 bzw. 62. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Barriereschichtdicke kleiner als 2 Nanometer (20 Angström) und eine 2%-ige Veränderung der Barriereschichtdicke kann den Widerstandswert um einen Faktor 2 verändern. Die Barriereschichtdicke variiert zwischen den Speicherzellen 28 in dem Array 22. Die wesentlich größere Barriereschicht 56 umfaßt jedoch Variationen der Barriereschichtdicke, die in den Speicherzellen 28 über das Array 22 zu finden sind. Die Barriereschicht 56 weist eine durchschnittliche Barriereschichtdicke auf, die in etwa gleich der durchschnittlichen Barriereschichtdicke des Arrays 22 ist. Außerdem wird die größere Fläche der Barriereschicht 56 nur wenig durch Photolithographievariationen beeinflußt; dies führt zu einem genauen Widerstandswert von einer Vorrichtung zu einer anderen.
  • Der Widerstandswert durch die Referenzelle 26 wird als ein Referenzwiderstandswert verwendet, um den in der Speicherzelle 28 gespeicherten Zustand zu bestimmen. Dieser Referenzwiderstandswert ist proportional zu dem Widerstandswert durch die Speicherzelle 28. Um einen proportionalen Referenzwiderstandswert zu erhalten, werden die Referenzzelle 26 und die Speicherzelle 28 während des gleichen Prozesses hergestellt. Dies führt dazu, daß der Referenzzellstapel 42 und der Speicherzellstapel 44 eine ähnliche Barriereschichtdicke aufweisen. Um den Zustand der Speicherzelle 28 zu bestimmen, wird der Referenzwiderstandswert skaliert und gegenüber dem Widerstandswert durch die Speicherzelle 28 geprüft. Der Widerstandswert durch die Referenzzelle 26 ist ein genauer und proportionaler durchschnittlicher Referenzwiderstandswert, der skaliert werden kann, um den Widerstandszustand jeder Speicherzelle 28 in dem Array 22 zu erfassen.
  • Während einer Leseoperation ist die Wortleitung 34a unter Verwendung der exemplarischen Leseschaltung, wie zuvor beschrieben ist, mit Masse gekoppelt und die Bitleitung 36d ist mit einem Ladungsverstärker gekoppelt. Der Ladungsverstärker legt eine feste Spannung an die ausgewählte Bitleitung 36d an. Dies führt dazu, daß ein konstanter Erfassungsstrom durch den Referenzzellstapel 42, einschließlich der Erfassungsschicht 54, der Barriereschicht 56 und der Referenzschicht 58, fließt. Dieser konstante Erfassungsstrom ist eine Funktion des Widerstandswertes durch den Referenzzellstapel 42. Der Erfassungsstrom entlädt einen Integrierkondensator, dessen Spannungspegel mit einer Referenzspannung verglichen wird. Ein digitaler Erfassungsverstärker mißt die Zeit, die es dauert, um den integrierten Kondensator auf die Referenzspannung zu entladen. Dieser Wert wird skaliert und als ein Schwellenwert gespeichert. Als nächstes wird der Ladungsverstärker von der Bitleitung 36d getrennt und der gleiche oder ein unterschiedlicher Ladungsverstärker wird mit der Bitleitung 36c verbunden, um den Widerstandswert durch die Speicherzelle 28 zu charakterisieren. Wie bei der Referenzzelle 26 legt der Ladungsverstärker eine feste Spannung an die ausgewählte Bitleitung 36c an, was dazu führt, daß ein konstanter Erfassungsstrom durch den Speicherzellstapel 44, einschließlich der Erfassungsschicht 60, der Barriereschicht 62 und der Referenzschicht 64, fließt. Dieser Erfassungsstrom, der eine Funktion des Widerstandswertes durch die Speicherzelle 28 ist, entlädt einen Integrierkondensator. Ein digitaler Erfassungsverstärker mißt die Zeit, die es dauert, um den Integrierkondensator auf eine Referenzspannung zu entladen, und prüft diesen Wert gegenüber dem Schwellenwert, um den Widerstandszustand der Speicherzelle 28 zu bestimmen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Schwellenwert gemäß den Flächendifferenzen in der Referenzzelle 26 und der Speicherzelle 28 skaliert. Die Entladungszeit der Speicherzelle 28 wird von diesem Schwellenwert weg in Richtung 0 gezählt. Das Ergebnis endet negativ oder positiv, wobei ein negativer Wert einen logischen Zustand anzeigt und ein positiver Wert einen weiteren logischen Zustand für die ausgewählte Speicherzelle 28 anzeigt.
  • Während einer Schreiboperation leitet die Schreibschaltung Schreibströme durch die Wortleitung 34a und einen Schreibleiter (nicht gezeigt). Der Schreibleiter befindet sich parallel zu der Bitleitung 36c und von der Bitleitung 36c durch eine Isolierungsschicht (ebenfalls nicht gezeigt) getrennt. Die Schreibströme gelangen durch die Wortleitung 34a und den Schreibleiter, um Magnetfelder gemäß der Dreifingerregel der rechten Hand in der Erfassungsschicht 60 zu erzeugen. Diese Magnetfelder kooperieren, um die Ausrichtung einer Magnetisierung in der Erfassungsschicht zu verändern und den Zustand der Speicherzelle 28 umzuschalten.
  • 4 ist ein Blockdiagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Magnetspeichervorrichtung 120 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Magnetspeichervorrichtung 120 umfaßt ein Magnetspeicherzellarray 122, das elektrisch mit einer Leseschaltung 124 und einer Schreibschaltung (zur Klarheit nicht gezeigt) gekoppelt ist. Das Array 122 umfaßt Magnetreferenzzellen 126a126c und Magnetspeicherzellen, allgemein bei 128 angezeigt, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die Leseschaltung 124 umfaßt einen Zeilendecodierer 130 und einen Spaltendecodierer, der eine Erfassungsschaltung, bei 132 angezeigt, umfaßt. Der Zeilendecodierer 130 und der Spaltendecodierer 132 sind elektrisch mit Zeilen- und Spaltenleseleitern gekoppelt, die sich bei den Referenzzellen 126a126c und Speicherzellen 128 schneiden.
  • Die Speichervorrichtung 120 umfaßt ein Speicherzellarray 122, das Referenzzellen 126a126c und eine Mehrzahl von Speicherzellen 128 aufweist. Die Speicherzellen 128 sind in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei sich die Zeilen entlang einer x-Richtung erstrecken und die Spalten entlang einer y-Richtung erstrecken. Die Referenzzellen 126a126c erstrecken sich entlang einer Spalte des Arrays 122. Diese Referenzzellen 126a126c sind identisch zu der Referenzzelle 26, wie in den 1 bis 3 dargestellt und zuvor in dieser Spezifizierung beschrieben wurde. Außerdem sind die Speicherzellen 128 identisch zu den Speicherzellen 28, wie in den 1 bis 3 dargestellt und zuvor in dieser Spezifizierung beschrieben wurde. Nur eine relativ kleine Anzahl von Speicherzellen 128 und Referenzzellen 126a126c ist gezeigt, um die Darstellung der Speichervorrichtung 120 zu vereinfachen. In der Praxis können Arrays jeder Größe verwendet werden.
  • Leitfähige Bahnen, die als Wortleitungen 134a134c und Bitleitungen 136a136d fungieren, erstrecken sich über das Array 122. Die Wortleitungen 134a134c erstrecken sich entlang der x-Richtung in einer Ebene an einer Seite des Arrays 122 und die Bitleitungen 136a136d erstrecken sich entlang der y-Richtung in einer Ebene an einer gegenüberliegenden Seite des Arrays 122. Es gibt eine Wortleitung 134a134c für jede Zeile des Arrays 122 und eine Bitleitung 136a136d für jede Spalte des Arrays 122. Eine Speicherzelle 128 ist an jedem Schnittpunkt einer Wortleitung 134a134c und einer Bitleitung 136a136c angeordnet. Die Referenzzellen 126a126c sind an jedem Schnittpunkt einer Wortleitung 134a134c mit der Bitleitung 136d angeordnet.
  • Die Leseschaltung 124 ist elektrisch mit den Wortleitungen 134a134c und den Bitleitungen 136a136d zum Lesen von Referenzzellen 126a126c und Speicherzellen 128 gekoppelt. Die Leseschaltung 124 umfaßt einen Zeilendecodierer 130, der elektrisch mit den Wortleitungen 134a134c gekoppelt ist, und einen Spaltendecodierer 132, der elektrisch mit den Bitleitungen 136a136d gekoppelt ist. Der Spaltendecodierer 132 wird auch als Spaltendecodierer- und Erfassungsschaltung 132 bezeichnet.
  • Während einer Leseoperation werden eine Referenzzelle 126a126c und eine Speicherzelle 128 gleichzeitig durch die Leseschaltung 124 ausgewählt, um den Zustand der ausgewählten Speicherzelle 128 zu bestimmen. Der Zeilendecodierer 130 wählt z. B. die Wortleitung 134a aus und der Spaltendecodierer 132 wählt die Bitleitungen 136a und 136d aus. Dies wählt eine Speicherzelle, spezifischer bei 128a angezeigt, und eine Referenzzelle 126a entlang der Wortleitung 134a aus. Die Bitleitungen 136a und 136d sind mit der Erfassungsschaltung in der Spaltendecodierer- und Erfassungsschaltung 132 gekoppelt, um den Widerstandswert durch die Referenzzelle 126a mit der ausgewählten Speicherzelle 128a zu vergleichen. Die Widerstandswerte werden wie erwünscht mit einem Erfassungsschaltungsaufbau skaliert, um einen Vergleich zu erzielen, der den Zustand der ausgewählten Speicherzelle 128a bestimmt.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Widerstandswert der Referenzzelle 126a differentiell mit dem Widerstandswert durch die Speicherzelle 128a verglichen. Der Widerstandswert und der Widerstandszustand der ausgewählten Speicherzelle 128a werden durch die Leseschaltung 124 erfaßt, die einen Differenzverstärker, einen ersten Strommodenvorverstärker, der mit einem Erfassungsknoten des Differenzverstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Strommodenvorverstärker, der mit einem Referenzknoten des Differenzverstärkers gekoppelt ist, umfaßt. Während einer Leseoperation legt der erste Vorverstärker eine geregelte Spannung an die ausgewählte Speicherzelle 128a an und der zweite Vorverstärker legt eine geregelte Spannung an die ausgewählte Referenzzelle 126a an. Ein Erfassungsstrom fließt durch die ausgewählte Speicherzelle 128a an den Erfassungsknoten des Differenzverstärkers, während ein Referenzstrom durch die Referenzzelle 126a zu dem Referenzknoten des Differenzverstärkers fließt. Dies führt zu einer Differenzspannung über den Erfassungs- und den Referenzknoten. Diese Differenzspannung zeigt an, ob ein Widerstandszustand, der einen logischen Wert von „0" oder „1" darstellt, in der ausgewählten Speicherzelle 128a gespeichert ist. Schaltungen und Verfahren, die geeignet zum Erzielen dessen sind, sind in dem US-Patent Nr. 6,185,143 mit dem Titel „Magnetic Random Access Memory (MRAM) Device Including Differential Sense Amplifiers" (Magnetdirektzugriffsspeicher-(MRAM-)Vorrichtung, die Differenzerfassungsverstärker umfaßt), ausgegeben an Perner u. a. am 6. Februar 2001 beschrieben Andere Erfassungsschaltungen und Verfahren, die verwendet werden könnten, sind in dem US-Patent Nr. 6,256,247 mit dem Titel „Differential Sense Amplifiers For Resistive Cross Point Arrays" (Differenzerfassungsverstärker für Widerstandsschnittpunktarrays), ausgegeben an Perner am 3. Juli 2001 beschrieben.
  • Die Speichervorrichtung 120 umfaßt Schreibleiter (zur Klarheit nicht gezeigt), die sich entlang der y-Richtung in einer Ebene an einer Seite des Arrays 122 erstrecken. Diese Schreibleiter sind elektrisch mit der Schreibschaltung zum Verändern der Ausrichtung einer Magnetisierung in den Speicherzellen 128 gekoppelt. Wortleitungen 134a134c, die sich entlang der x-Richtung an einer gegenüberliegenden Seite des Arrays 122 erstrecken, sind ebenso elektrisch mit der Schreibschaltung gekoppelt. Eine Speicherzelle 128 befindet sich an jedem Schnittpunkt eines Schreibleiters und einer Wortleitung 134a134c. Die Schreibleiter kreuzen die Referenzzellen 126a126c nicht und der Zustand der Referenzzellen 126a126c wird nicht verändert.
  • Während einer Schreiboperation wählt die Schreibschaltung einen Schreibleiter und eine Wortleitung 134a134c aus, um die Ausrichtung einer Magnetisierung der Speicherzelle 128, die sich an dem Schnittpunkt befindet, zu verändern. Die Schreibschaltung liefert einen Schreibstrom an den ausgewählten Schreibleiter und einen zweiten Schreibstrom an die ausgewählte Wortleitung 134a134c. Diese Ströme erzeugen Magnetfelder um den Schreibleiter und die Wortleitung 134a134c gemäß der Dreifingerregel der rechten Hand. Die Magnetfelder kooperieren, um die Ausrichtung einer Magnetisierung in der ausgewählten Speicherzelle 128 zu verändern.
  • 5 ist ein Blockdiagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Magnetspeichervorrichtung 220 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Magnetspeichervorrichtung 220 umfaßt ein Magnetspeicherzellarray 222, das elektrisch mit einer Leseschaltung 224 und einer Schreibschaltung (zur Klarheit nicht gezeigt) gekoppelt ist. Die Speichervorrichtung 220 umfaßt außerdem eine Magnetreferenzzelle 226, die elektrisch mit der Leseschaltung 224 gekoppelt ist. Das Array 222 umfaßt Magnetspeicherzellen, allgemein bei 228 angezeigt, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die Leseschaltung 224 umfaßt einen Zeilendecodierer 230 und einen Spaltendecodierer, der eine Erfassungsschaltung, bei 232 angezeigt, umfaßt. Der Zeilendecodierer 230 und der Spaltendecodierer 232 sind elektrisch mit Zeilen- und Spaltenleseleitern gekoppelt, die sich bei der Referenzzelle 226 und Speicherzellen 228 schneiden.
  • Die Speichervorrichtung 220 umfaßt die Referenzzelle 226 und ein Array 222, das eine Mehrzahl von Speicherzellen 228 umfaßt. Die Speicherzellen 228 sind in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei sich die Zeilen entlang einer x-Richtung erstrecken und die Spalten entlang einer y-Richtung erstrecken. Die Referenzzelle 226 ist identisch zu der Referenzzelle 26, wie in den 1 bis 3 dargestellt und zuvor in dieser Spezifizierung beschrieben wurde. Außerdem sind die Speicherzellen 228 identisch zu den Speicherzellen 28, wie in den 1 bis 3 dargestellt und zuvor in dieser Spezifizierung beschrieben wurde. Nur eine relativ kleine Anzahl von Speicherzellen ist gezeigt, um die Darstellung der Magnetspeichervorrichtung zu vereinfachen. In der Praxis können Arrays jeder Größe verwendet werden. Ähnlich können in der Praxis mehr als eine Referenzzelle 226 verwendet werden.
  • Leitfähige Bahnen, die als Wortleitungen 234a234c und Bitleitungen 236a236d fungieren, erstrecken sich über das Array 222. Die Wortleitungen 234a234c erstrecken sich ent lang der x-Richtung in einer Ebene an einer Seite des Arrays 222 und die Bitleitungen 236a236c erstrecken sich entlang der y-Richtung in einer Ebene an einer gegenüberliegenden Seite des Arrays 222. Es gibt eine Wortleitung 234a234c für jede Zeile des Arrays 222 und eine Bitleitung 236a236c für jede Spalte des Arrays 222. Eine Speicherzelle 228 befindet sich an jedem Schnittpunkt einer Wortleitung 234a234c und einer Bitleitung 236a236c. Leitfähige Bahnen, die als Referenzleiter 235 und 237 fungieren, sind elektrisch mit der Leseschaltung 224 gekoppelt. Die Referenzzelle 226 befindet sich an dem Schnittpunkt der Referenzleiter 235 und 237.
  • Die Leseschaltung 224 ist elektrisch mit den Wortleitungen 234a234c und Bitleitungen 236a236c zum Lesen der Speicherzellen 228 gekoppelt. Die Leseschaltung 224 ist außerdem elektrisch mit den Referenzleitern 235 und 237 zum Lesen der Referenzzelle 226 gekoppelt. Der Zeilendecodierer 230 ist elektrisch mit den Wortleitungen 234a234c und dem Referenzleiter 235 gekoppelt. Der Spaltendecodierer 232 ist elektrisch mit den Bitleitungen 236a236c und dem Referenzleiter 237 gekoppelt. Der Spaltendecodierer 232 wird auch als Spaltendecodierer- und Erfassungsschaltung 232 bezeichnet.
  • Während einer Leseoperation können die Referenzzelle 226 und eine Speicherzelle 228 gleichzeitig ausgewählt sein, um den Zustand der ausgewählten Speicherzelle 228 zu bestimmen. Der Zeilendecodierer 230 z. B. wählt die Wortleitung 234a und den Referenzleiter 235 aus und der Spaltendecodierer 232 wählt die Bitleitung 236a und den Referenzleiter 237 aus. Dies wählt die Referenzzelle 226 und die Speicherzelle, spezifischer bei 228a angezeigt, aus. Die Bitleitung 236a und der Referenzleiter 237 sind mit der Erfassungsschaltung in der Spaltendecodierer- und Leseschaltung 232 gekoppelt, um den Widerstandswert durch die Referenzzelle 226 mit dem Widerstandswert durch die Speicherzelle 228a zu vergleichen. Die Widerstandswerte werden wie erwünscht mit einem Erfassungsschaltungsaufbau skaliert, um einen Vergleich zu erzielen, der den Widerstands- und Logikzustand der ausgewählten Speicherzelle 228a bestimmt.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Referenzwiderstandswert der Referenzzelle 226 differentiell mit dem Widerstandswert durch die Speicherzelle 228a verglichen. Der Widerstandswert und Zustand der ausgewählten Speicherzelle 228a werden durch die Leseschaltung 224 erfaßt, die einen Differenzverstärker, einen ersten Strommodenvorverstärker, der mit einem Erfassungsknoten des Differenzverstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Strommodenvorverstärker umfaßt, der mit einem Referenzknoten des Differenzverstärkers gekoppelt ist. Während einer Leseoperation legt der erste Vorverstärker eine geregelte Spannung an die ausgewählte Speicherzelle 228a an und der zweite Vorverstärker legt eine geregelte Spannung an die Referenzzelle 226 an. Ein Erfassungsstrom fließt durch die ausgewählte Speicherzelle 228a zu dem Erfassungsknoten des Differenzverstärkers, während ein Referenzstrom durch die Referenzzelle 226 zu dem Referenzknoten des Differenzverstärkers fließt. Dies führt zu einer differentiellen Spannung über den Erfassungs- und den Referenzknoten. Diese differentielle Spannung zeigt an, ob ein logischer Wert von „0" oder „1" in der ausgewählten Speicherzelle 228 gespeichert ist. Schaltungen und Verfahren, die geeignet zum Erzielen dessen sind, sind in dem oben erwähnten US-Patent Nr. 6,185,143 beschrieben. Andere Erfassungsschaltungen und Verfahren, die verwendet werden könnten, sind in dem oben erwähnten US-Patent Nr. 6,256,247 beschrieben.
  • 6 ist ein Graph, der eine Widerstandswertvarianz gegenüber einer Zellfläche für Magnetspeicherzellen darstellt, die Referenzzellen oder Speicherzellen in einem Array sein können. Der Widerstandswert durch Magnetspeicherzellen in dem gleichen Array variiert aufgrund von Variationen der Barriereschichtdicke von Zelle zu Zelle und von Photolithographieeinschränkungen. Die Widerstandswertvari anz ist eine Zusammensetzung dieser Faktoren. Wie in 6 dargestellt ist, variiert der Widerstandswert für Zellen, die eine kleinere Fläche aufweisen, mehr und für Zellen, die eine größere Fläche aufweisen, weniger. Eine kleine Barriereschichtfläche kann eine große Variation der Barriereschichtdicke aufweisen. Bei erhöhter Fläche umfaßt die größere Fläche mehr Variationen der Barriereschichtdicke. Diese Variationen neigen dazu, sich in der größeren Fläche auszumitteln, und die Widerstandswertvarianz aufgrund der Barriereschichtdicke nimmt mit zunehmender Zellfläche ab. Ähnlich weisen Photolithographieeinschränkungen eine größere Wirkung auf kleine Zellen auf. Die Länge und Breite und so Fläche verändern sich für eine kleinere Zelle zu einem größeren Prozentsatz als für eine große Zelle. Dies führt zu größeren Variationen des Widerstandswertes für kleinere Zellen. Die Barriereschichtdicke und Photolithographieeinschränkungen führen zu einer höheren Widerstandswertvarianz für kleinere Zellen und einer niedrigeren Widerstandswertvarianz für größere Zellen.
  • Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind die Referenzzelle oder -zellen wesentlich größer als die Speicherzellen. Die Referenzzelle wird vorzugsweise mit den Speicherzellen hergestellt und weist im allgemeinen die gleiche Barriereschichtdicke auf. Der Widerstandswert durch die Referenzzelle kann skaliert werden, um den Zustand von Speicherzellen zu lesen. Die größere Referenzzelle mittelt Variationen der Barriereschichtdicke aus und reduziert die Wirkung von Photolithographieeinschränkungen. Die erhöhte Größe der Referenzzelle reduziert die Varianz eines Widerstandswertes durch die Referenzzelle, um denselben geeignet zur Verwendung als Referenzwiderstandswert zu machen.

Claims (23)

  1. Magnetspeicher (20; 120; 220) mit: einer Speicherzelle (28; 128; 228), die einen eine Speicherzellerfassungsschicht (60), eine Speicherzellbarriereschicht (62) und eine Speicherzellreferenzschicht (64) umfassenden Speicherzellstapel (44) umfasst und die einen Widerstandszustand bereitstellt; einer oder mehreren Referenzzellen (26; 126a126c; 226), die jeweils einen eine Referenzzellerfassungsschicht (54), eine Referenzzellbarriereschicht (56) und eine Referenzzellreferenzschicht (58) umfassenden Referenzzellstapel (42) umfassen, wobei die Fläche jeder Referenzzellbarrierenschicht wesentlich grösser als die der Speicherzellbarrierenschicht ist und die einen oder mehrereren Referenzzellen einen Referenzwiderstandswert zum Bestimmen des Widerstandszustandes der Speicherzelle bereitstellen; und einem Erfassungsschaltungsaufbau zum Skalieren von Widerstandswerten.
  2. Magnetspeicher gemäss Anspruch 1, wobei die Speicherzellbarriereschicht (62) und die Referenzzellbarriereschicht (56) während der gleichen Prozessschritte hergestellt werden.
  3. Magnetspeicher gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die Fläche der Referenzzellbarriereschicht mehr als viermal grösser als die der Speicherzellbarriereschicht ist.
  4. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Speicherzellbarriereschicht (62) eine Dicke von weniger als 2 Nanometer aufweist.
  5. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Referenzzellbarriereschicht (56) eine Dicke von weniger als 2 Nanometer aufweist.
  6. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Referenzzelle (26; 126a126c; 226) eine Länge aufweist und die Speicherzelle (28; 128; 228) eine Länge aufweist, wobei die Referenzzellänge zwischen zweimal und zehnmal grösser als die Speicherzellänge ist.
  7. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Referenzzelle (26; 126a126c; 226) eine Breite aufweist und die Speicherzelle (28; 128; 228) eine Breite aufweist, wobei die Referenzzellbreite zwischen zweimal und zehnmal grösser als die Speicherzellbreite ist.
  8. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Referenzzelle (26; 126a126c; 226) eine Länge und eine Breite aufweist und die Referenzzellänge gleich der Referenzzellbreite ist.
  9. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zum Bestimmen des Widerstandszustandes der Speicherzelle (28; 128; 228) nacheinander auf die Referenzzelle (26; 126a126c; 226) und die Speicherzelle (28; 128; 228) zugegriffen wird.
  10. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zum Bestimmen des Widerstandszustandes der Speicherzelle (28; 128; 228) gleichzeitig auf die Referenzzelle (26; 126a126c; 226) und die Speicherzelle (28; 128; 228) zugegriffen wird.
  11. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1–10, der eine Mehrzahl von Referenzzellen (126a126c) aufweist.
  12. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1–11, bei dem die eine oder mehreren Referenzzellen (26; 126a126c; 226) in einem Array von Speicherzellen angeordnet sind.
  13. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die eine oder mehreren Referenzzellen (26; 126a126c; 226) an der Peripherie eines Arrays von Speicherzellen (28; 128; 228) angeordnet sind.
  14. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Referenzzelle (26; 126a126c; 226) ausserhalb von einem Array von Speicherzellen (28; 128; 228) angeordnet ist.
  15. Magnetspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Erfassungsschaltungsaufbau folgende Funktionen aufweist: Charakterisieren eines Referenzwiderstandswertes durch eine Referenzzelle (26; 126a126c; 226); Charakterisieren des Widerstandszustandes der Speicherzelle (28; 128; 228); Skalieren des Referenzwiderstandswertes; und Vergleichen des charakterisierten Widerstandszustandes gegenüber dem charakterisierten Referenzwiderstandswert, um den Widerstandszustand der Speicherzelle (28; 128; 228) zu bestimmen.
  16. Magnetspeicher gemäss Anspruch 15, bei dem das Charakterisieren des Referenzwiderstandswertes folgende Funktionen aufweist: Bereitstellen eines Referenzstroms durch die Referenzzelle (26; 126a126c; 226), um einen Integrierkondensator auf eine Referenzspannung zu entladen; Messen der Zeit, die es dauert, um den Integrierkondensator auf die Referenzspannung zu entladen; und Speichern eines Schwellenwertes proportional zu der gemessenen Zeit.
  17. Magnetspeicher gemäss Anspruch 16, bei dem das Vergleichen des charakterisierten Widerstandszustandes gegenüber dem charakterisierten Referenzwiderstandswert folgende Schritte aufweist: Dekrementieren des Schwellenwertes, während ein Integrierkondensator auf eine Referenzspannung entladen wird, zum Charakterisieren des Widerstandszustandes der Speicherzelle (28; 128; 228); und entweder Bereitstellen eines ersten Ergebnisses, wenn der resultierende dekrementierte Schwellenwert positiv ist; oder Bereitstellen eines zweiten Ergebnisses, wenn der resultierende dekrementierte Schwellenwert negativ ist.
  18. Magnetspeicher gemäss Anspruch 16 oder 17, bei dem das Vergleichen des charakterisierten Widerstandszustandes gegenüber dem charakterisierten Referenzwiderstandswert ein Vergleichen des Schwellenwertes gegenüber einer Zeit aufweist, die gezählt wird, während der Widerstandszustand charakterisiert wird.
  19. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem das Charakterisieren des Widerstandszustandes folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Speicherzellstroms durch die Speicherzelle (28; 128; 228), um einen Integrierkondensator auf eine Referenzspannung zu entladen; und Zählen der Zeit, die es dauert, um den Integrierkondensator auf die Referenzspannung zu entladen.
  20. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem das Charakterisieren des Referenzwiderstandswertes und das Charakterisieren des Widerstandszustandes nacheinander durchgeführt werden.
  21. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem das Charakterisieren des Referenzwiderstandswertes und das Charakterisieren des Widerstandszustandes gleichzeitig durchgeführt werden.
  22. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem das Charakterisieren des Referenzwiderstandswertes folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Referenzspannung über die Referenzzelle (26; 126a126c; 226), um einen Referenzstrom zu erzeugen; und Erfassen des Referenzstroms als eine skalierte Referenzspannung an einem Eingang eines Differenzverstärkers.
  23. Magnetspeicher gemäss einem der Ansprüche 15 bis 22, bei dem das Charakterisieren des Widerstandszustandes folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Speicherzellspannung über die Speicherzelle (28; 128; 228), um einen Speicherzellstrom zu erzeugen; und Erfassen des Speicherzellstroms als eine Speicherzellspannung an einem Eingang des Differenzverstärkers.
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