DE112013006526T5

DE112013006526T5 - Kreuzpunktanordnungs-MRAM mit Spin-Hall-MTJ-Vorrichtungen

Info

Publication number: DE112013006526T5
Application number: DE112013006526.6T
Authority: DE
Inventors: Sasikanth Manipatruni; Ian A. Young; Dmitri E. Nikonov
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Tahoe Research Ltd
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2015-10-29
Also published as: US20140269035A1; GB2526455A; US9460768B2; JP6176882B2; GB2526455B; CN104995682B; KR102099192B1; KR20150130980A; JP2016517165A; WO2014142922A1; GB201513900D0; CN104995682A

Abstract

Ein magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (MRAM) in Kreuzpunktanordnung, der Vorrichtungen implementiert, die auf einem Spin-Hall-Magnettunnelübergang (Spin-Hall-MTJ) basieren, und Betriebsverfahren solcher Anordnungen sind beschrieben. Zum Beispiel umfasst eine Bitzelle für einen nichtflüchtigen Speicher einen Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel), der über einem Substrat angeordnet ist und eine freie magnetische Schicht aufweist, die über einer dielektrischen Schicht angeordnet ist, die über einer festen magnetischen Schicht angeordnet ist. Die Bitzelle umfasst zudem eine Spin-Hall-Metallelektrode, die über der freien magnetischen Schicht des MTJ-Stapels angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der Erfindung liegen auf dem Gebiet der Speichervorrichtungen und beziehen sich insbesondere auf einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM) in Kreuzpunktanordnung, der Vorrichtungen implementiert, die auf einem Spin-Hall-Magnettunnelübergang (Spin-Hall-MTJ) basieren, und Betriebsverfahren solcher Anordnungen.
HINTERGRUND
In den letzten Jahrzehnten war die Verkleinerung von Merkmalen in integrierten Schaltungen eine treibende Kraft hinter einer ständig wachsenden Halbleiterindustrie. Eine Verkleinerung hin zu immer kleineren Merkmalen ermöglicht höhere Dichten von Funktionseinheiten auf der begrenzten Nutzfläche von Halbleiterchips. Beispielsweise ermöglicht eine schrumpfende Transistorgröße den Einbau einer erhöhten Zahl von Speichervorrichtungen auf einem Chip, was zu der Herstellung von Produkten mit erhöhter Kapazität beiträgt. Die Jagd nach immer mehr Kapazität ist jedoch nicht ohne Probleme. Die Notwendigkeit, die Leistung jeder Vorrichtung zu optimieren, wird zunehmend deutlich.
Nichtflüchtige eingebettete Speicher wie beispielsweise auf einem Chip eingebettete nichtflüchtige Speicher können Energie- und Recheneffizienz ermöglichen. Allerdings können führende Optionen für eingebettete Speicher wie magnetoresistive Direktzugriffsspeicher mit Spin-Drehmomentübertragung (STT-MRAM) Probleme mit hoher Spannung und hoher Stromdichte während des Programmierens (Schreibens) der Zelle erfahren. Ferner kann es Dichtebeschränkungen für STT-MRAM aufgrund der großen Schreibschaltstromstärke und Auswahltransistoranforderungen geben. Insbesondere haben herkömmliche STT-MRAM eine Zellgrößenbeschränkung aufgrund der Anforderung an den Ansteuertransistor, ausreichenden Spinstrom bereitzustellen. Ferner ist ein derartiger Speicher mit den großen Schreibstromstärkeanforderungen (> 100 μA) und Spannungsanforderungen (> 0,7 V) von herkömmlichen Vorrichtungen, die auf dem Magnettunnelübergang (MTJ) basieren, verknüpft.
Daher sind noch immer wesentliche Verbesserungen auf dem Gebiet der auf MTJ basierenden nichtflüchtigen Speicheranordnungen notwendig.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt den Wirkmechanismus einer auf dem Riesen-Spin-Hall-Effekt-Magnettunnelübergang (GSHE-MTJ) basierenden Vorrichtung mit (a) einem veranschaulichten typischen Materialstapel für einen GSHE-MTJ, (b) einer veranschaulichten Draufsicht auf die Vorrichtung von (a), und (c) einer Darstellung, die die Richtung der Spinströme und Ladeströme zeigt, wie sie durch den Spin-Hall-Effekt in Metallen bestimmt werden, gemäß dem Stand der Technik.
2A zeigt eine Querschnittsansicht einer Bitzelle, die eine Konnektivität mit einer Auswahlleitung (SL), einer Bitleitung (BL) und einer Wortleitung (WL) aufweist, zusammen mit einer entsprechenden schematischen Draufsicht der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2B zeigt Querschnittsansichten der Vorrichtung von 2A, die (a) entlang der Achse a-a' und (b) entlang der Achse b-b' genommen sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt (a) eine Bitzellenperspektivansicht und (b) eine Draufsicht auf eine Kreuzpunktanordnung, die Bitzellen mit unteren AFM-Schichten aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein Verfahren zum Schreiben einer logischen 1 in einem Kreuzpunkt-GSHE-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Verfahren zum Schreiben einer logischen 0 in einem Kreuzpunkt-GSHE-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt ein Verfahren zum Lesen einer Bitzelle in einem Kreuzpunkt-GSHE-MRAM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Bitzelle, die eine Konnektivität mit einer Auswahlleitung (SL), einer Bitleitung (BL) und einer Wortleitung (WL) aufweist, zusammen mit einer entsprechenden schematischen Draufsicht der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt Querschnittsansichten der Vorrichtung von 7, die (a) entlang der Achse a-a' und (b) entlang der Achse b-b' genommen sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine Bitzellenperspektivansicht einer Kreuzpunktanordnung, die Bitzellen mit oberen AFM-Schichten aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Draufsicht auf die Kreuzpunktanordnung von 9 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt ein Verfahren zum Schreiben einer logischen 1 in einem Kreuzpunkt-GSHE-MRAM, um anomale Ströme zu vermeiden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt ein Verfahren zum Schreiben einer logischen 0 in einem Kreuzpunkt-GSHE-MRAM, um anomale Ströme zu vermeiden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt ein Verfahren zum Lesen eines Kreuzpunkt-GSHE-MRAM, um anomale Ströme zu vermeiden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein Diagramm der Schaltzeit (in ns) als Funktion der angelegten Spannung (in V) für eine STT-Schaltvorrichtung unter Verwendung eines auf GSHE oder MTJ basierendem Schreibmechanismus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ist ein Diagramm, das die relative Schaltenergie für ein auf GSHE und MTJ basierendes Magnetspeicherschreiben zum Variieren der Nanomagnetbreite für ein GSHE-Metall mit einer Dicke von 4 nm zeigt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine Tabelle von Material- und Transportparametern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt eine Blockdarstellung eines elektronischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
18 zeigt eine Rechenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es sind ein magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (MRAM) in Kreuzpunktanordnung, der Vorrichtungen implementiert, die auf einem Spin-Hall-Magnettunnelübergang (Spin-Hall-MTJ) basieren, und Verfahren zum Betreiben solcher Anordnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Einzelheiten angegeben, beispielsweise spezifische Magnettunnelübergang-Schichtsysteme (MTJ-Schichtsysteme), um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es ist für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten verwirklicht sein können. In anderen Fällen sind allgemein bekannte Merkmale wie etwa Integrationsverarbeitungs-Herstellungsabläufe nicht im Einzelnen beschrieben, um Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht unnötig zu verunklaren. Außerdem versteht es sich, dass die verschiedenen in den Figuren gezeigten Ausführungsformen veranschaulichende Darstellungen sind und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen MRAM in Kreuzpunktanordnung, der Spin-Hall-MTJ-Vorrichtungen verwendet. Allgemeine Anwendungen einer solchen Anordnung umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, eingebettete Speicher, Magnettunnelübergangsarchitekturen, MRAM, einen nichtflüchtigen Speicher, Spin-Hall-Effekte, Spin-Drehmoment-Speicher und eingebettete Speicher, die magnetische Speichervorrichtungen verwenden. In einer Ausführungsform ist ein auf MTJ basierender Spin-Drehmoment-MRAM bezüglich der Dichte und der Energie/Bit unter Verwendung von Spin-Hall-Vorrichtungen, wie sie hier beschrieben sind, verbessert.
Insbesondere zielen eine oder mehrere Ausführungsformen auf den Einsatz oder die Anwendung eines sehr kompakten Riesen-Spin-Hall-Effekt-MRAM (GSHE-MRAM) unter Verwendung einer Kreuzverbindungsarchitektur ab. In einem ersten Aspekt werden niedrige Programmier-(Schreib-)Stromstärken und Spannungen durch den Riesen-Spin-Hall-Effekt (GSHE) ermöglicht. In einem zweiten Aspekt wird eine Kreuzverbindungsarchitektur hoher Dichte ohne Auswahltransistor in jeder Bitzelle verwirklicht. Ausführungsformen umfassen die Herstellung und/oder Umsetzung einer Anordnung von GSHE-MTJ-Zellen, die in einer Kreuzpunktarchitektur ausgebildet ist, und können einen oder mehrere kreuzverbundene Spin-Hall-MRAM, eine Bitzellengestaltung mit drei Metallschichten und/oder eine kreuzverbundene Bitzelle, die GSHE-MTJ-MRAM verwendet, umfassen.
In einem Aspekt ist eine Kreuzverbindungsanordnung mit Riesen-Spin-Hall-Effekt-MRAM (GSHE-MRAM) beschrieben, die auf Programmieren (Schreiben) eines magnetischen Elements auf der Basis des Spin-Hall-Effekts und auf Auslesen auf der Basis des MTJ beruht. Um dies in einen Zusammenhang zu stellen, ist 1 bereitgestellt, um bei der Darstellung der Arbeitsweise des Riesen-Spin-Hall-MRAM zu helfen. Insbesondere zeigt 1 den Wirkmechanismus eines GSHE-MTJ mit (a) einem veranschaulichten typischen Materialstapel für GSHE-MTJ, (b) einer veranschaulichten Draufsicht auf die Vorrichtung von (a), und (c) einer Darstellung, die die Richtung der Spinströme und Ladeströme, wie sie durch den Spin-Hall-Effekt in Metallen bestimmt sind, gemäß dem Stand der Technik.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist eine nominelle Geometrie einer 3-Anschluss-Speicherzelle mit einem mittels des Spin-Hall-Effekts induzierten Schreibmechanismus und einem auf MTJ basiertem Auslesen gezeigt. Der nominelle Materialstapel 100A umfasst einen Freischicht-Nanomagneten 102 in direktem Kontakt mit einem GSHE-Metall 104. Der nominelle MTJ-Stapel besteht aus der freien Schicht 102 (FM1), einem Magnesiumoxid-Tunneloxid (MgO-Tunneloxid) 106, einem festen Magneten 108 (FM2) mit einem synthetischen Antiferromagneten (SAF) 110, der auf CoFe/Ru basiert, und einem Antiferromagneten (AFM) 112. Die SAF-Schichten 110 ermöglichen ein Aufheben der Dipolfelder um die freie Schicht 102. Eine vielfältige Kombination von Materialien ist für diese Materialstapelung untersucht worden. Zum Beispiel umfasst die Schreibelektrode 114 ein GSHE-Metall, das aus β-Tantal (β-Ta), β-Wolfram (β-W) oder Platin (Pt) besteht. Die Schreibelektrode 114 geht in ein normales Metall mit hoher Leitfähigkeit (beispielsweise Kupfer (Cu)) über, um den Schreibelektrodenwiderstand zu minimieren. Die Draufsicht 100B der Vorrichtung zeigt, dass der Magnet für eine geeignete Spininjektion entlang der Breite der GSHE-Elektrode ausgerichtet ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 wird die Magnetzelle durch Anlegen eines Ladestroms mittels der GSHE-Elektrode geschrieben. Die Richtung des magnetischen Schreibens ist durch die Richtung des angelegten Ladestroms bestimmt. Positive Ströme (entlang +y) erzeugen einen Spininjektionsstrom mit einer Transportrichtung (entlang +z) und Spins, die in (+x)-Richtung zeigen. Der injizierte Spinstrom erzeugt wiederum ein Spin-Drehmoment, um den Magneten in der +x- oder –x-Richtung auszurichten. Der transversale Spinstrom für einen Ladestrom in der Schreibelektrode ist in Gleichung (1) gegeben: I u_s = P_she(w, t, λ_sf, θ_SHE)(σ ^ × I u_c) (1) wobei P_SHE der Spin-Hall-Injektionswirkungsgrad ist, der das Verhältnis des Betrags des transversalen Spinstroms zu dem lateralen Ladestrom ist, w die Breite des Magneten ist, t die Dicke der GSHE-Metallelektrode ist, λ_sf die Spinfliplänge in dem GSHE-Metall ist und θ_GSHE der Spin-Hall-Winkel für das GSHE-Metall zu einer FM1-Grenzfläche ist. Der injizierte Spindrehimpuls, der für das Spindrehmoment verantwortlich ist, kann bestimmt werden, indem zuerst Gleichung 1 gelöst wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend Bitzellen und Anordnungen für einen kreuzverbundenen GSHE-MRAM-Speicher beschrieben. In einer ersten Ausführungsform ist ein GSHE-MTJ-Stapel bereitgestellt, für den ein Antiferromagnet (AFM) die untere Schicht des Stapels ist. Das heißt, dass in einer Ausführungsform die Bitzelle für einen GSHE-MTJ auf einem Materialstapel mit einer AFM-Schicht in der unteren Schicht basiert. In einer beispielhaften Ausführungsform wird eine GSHE-MRAM-Bitzelle durch einen herkömmlichen Prozessintegrationsablauf für eine MTJ-Integration hergestellt. Die Bitzelle hat drei Anschlüsse, die mit einer Auswahlleitung (SL), einer Wortleitung (WL) und einer Bitleitung (BL) verbunden sind. Der Schreibvorgang für eine solche Anordnung ermöglicht einen Strom zwischen der BL und der SL, der Spinstrom in die Vorrichtung injiziert. Der Lesevorgang beinhaltet das Lesen des Tunnelmagnetwiderstands (TMR) zwischen der SL und der WL.
Beispielhaft veranschaulicht 2A eine Querschnittsansicht einer Bitzelle 200, die eine Konnektivität mit einer Auswahlleitung (SL), einer Bitleitung (BL) und einer Wortleitung (WL) aufweist, zusammen mit einer entsprechenden schematischen Draufsicht auf die Vorrichtung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 2A kann die gezeigte Bitzelle 200 für einen Kreuzpunkt-GSHE-MRAM verwendet werden, beispielsweise unter Verwendung von Metallschichten M2, M3, M4 und M5. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst der Materialstapel der Bitzelle 200, in Bezug auf die Ausrichtung eines darunterliegenden Substrats (nicht gezeigt), eine untere Elektrode 202 (beispielsweise Ru/Ta/Ru), eine AFM-Schicht 204 (beispielsweise IrMn), einen SAF-Stapel 206 (beispielsweise CoFe/Ru), einen MTJ-Stapel 208 (beispielsweise CoFeB/MgO/CoFeB) und eine Spin-Hall-Metallelektrode 210. Es gilt zu verstehen, dass die gezeigten spezifischen Materialien nur Beispielzwecken dienen. Andere mögliche Materialien für die oben genannten Schichten sind unten näher beschrieben. Zur weiteren Verdeutlichung zeigt 2B Querschnittsansichten der Vorrichtung von 2A, die (a) entlang der Achse a-a' und (b) entlang der Achse b-b' genommen sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein wichtiger Aspekt der in Verbindung mit 2A und 2B beschriebenen Vorrichtung ist, dass in einer Ausführungsform die GSHE-Kreuzpunkt-MRAM-Bitzelle keine Verwendung eines Auswahltransistors erfordert. Das Weglassen eines Auswahltransistors kann verwirklicht werden, da die Vorrichtung vier unidirektionale Metallschichten verwendet. In einer solchen Ausführungsform ist die Rückseitenfläche der Vorrichtung pro Bitzelle für eine Rückseiten-MRAM-Dichte für einen Einzelschicht-MRAM in Gleichung (2) gegeben: A_GSHE-CP = 16F_M2F_M5 (2)
Für die in Verbindung mit 2A und 2B beschriebene Vorrichtung ist die Spin-Hall-Metallschicht (z. B. der Elektrode 210) zu einer Metallschicht oder Durchkontaktierungsschicht (V3) ausgebildet, die unmittelbar an die freie Schicht (z. B. die obere CoFeB-Schicht des MTJ-Stapels 208) angrenzt. Der MTJ ist in die V2- und M3-Schicht eingebaut. Die M2 fungiert als Wortleitung, um den MTJ-Tunnelmagnetwiderstand zwischen der SL und der WL lesen.
In einem weiteren Aspekt kann die Vorrichtung von 2A und 2B in einer Kreuzpunktanordnung enthalten sein, um einen GSHE-MRAM bereitzustellen, bei dem jede Bitzelle eine AFM-Schicht in der unteren Schicht aufweist. Insbesondere ist in einer Ausführungsform eine Bitzelle mit der Anordnung der Vorrichtung 200 in einem Kreuzpunktanordnungs-GSHE-MRAM realisiert. Zum Beispiel zeigt 3(a) eine Bitzellenperspektivansicht 300A und (b) eine Draufsicht 300B einer Kreuzpunktanordnung 302 mit Bitzellen 304 mit unteren AFM-Schichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einer Ausführungsform dient die MRAM-Anordnung 302 für einen Kreuzpunkt-GSHE-MRAM und verwendet unidirektionale Metallschichten M2, M3, M4, M5, wie in 3 dargestellt. Die Richtung der Metallschicht in direktem Kontakt mit dem Magneten ist so gewählt, dass ein geeigneter Spinstrom in den Magneten injiziert wird. Bitleitungen sind entlang der Spalten üblich und WL und SL sind entlang der Zeilen üblich. Die Schreib- und Lese-Pfade und -Störungen sind nachfolgend beschrieben. Der eingerahmte Abschnitt 350 zeigt eine Einheitsbitzelle.
Unter Bezugnahme auf das Schreiben einer logischen 1 in eine Bitzelle der Anordnung 302 von 3, zeigt 4 ein Verfahren zum Schreiben einer logischen 1 in einem Kreuzpunkt-GSHE-MRAM 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 4 wird die logische 1 in die hervorgehobene Zelle 402 durch Erhöhen der BL-Spannung 404 auf eine Schreibspannung (V_W) und Verringern der SL-Spannung 406 auf Masse (Gnd) programmiert. Die restlichen Leitungen sind in einem Zustand mit hoher Impedanz (Hoch-Z), um Schreibstörungen zu vermeiden.
Unter Bezugnahme auf das Schreiben einer logischen 0 in eine Bitzelle der Anordnung 302 von 3, zeigt 5 ein Verfahren zum Schreiben einer logischen 0 in einem Kreuzpunkt-GSHE-MRAM 500 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 5 wird die logische 0 in die hervorgehobene Zelle 502 durch Verringern der BL-Spannung 504 auf eine negative Schreibspannung (–V_W) und Verringern der SL-Spannung 506 auf Masse (Gnd) programmiert. Die restlichen Leitungen sind in einem Zustand mit hoher Impedanz (Hoch-Z), um Schreibstörungen zu vermeiden.
Unter Bezugnahme auf das Lesen einer Bitzelle der Anordnung 302 von 3, zeigt 6 ein Verfahren zum Lesen einer Bitzelle in einem Kreuzpunkt-GSHE-MRAM 600 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 6 wird der Widerstand (MR) zwischen der SL und der WL gemessen, d. h. die hervorgehobene Bitzelle 602 ausgelesen, indem eine niedrige Lesespannung zwischen der BL und der WL angelegt wird. Die restlichen Leitungen sind in einem Hoch-Z-Zustand. Ein Verfahren zum Überwinden von anomalen Strömen, die mit einem solchen Lesevorgang verbunden sind, ist im Folgenden näher beschrieben.
In einem weiteren Aspekt kann eine Schätzung einer effektiven Vorderseitenfläche pro Bitzelle in einem kreuzverbundenen GSHE-MRAM (einschließlich Lese- und Schreibschaltung) bestimmt werden. In einer Ausführungsform liegt die Vorderseitenfläche pro Bitzelle über die Anordnung wie in Gleichung (3) gegeben bei durchschnittlich:
wobei N die Anzahl der Bits pro Wort ist, M die Anzahl von Wörtern pro Anordnung ist, A_SA die Fläche des Erfassungsverstärkers ist, A_se die Fläche des Selektors pro Wort ist und A_Write die Schreibschaltung ist. Für einen typischen Erfassungsverstärker sind die Schreibschaltungs- und Selektorabmessungen beispielsweise A_SA etwa 40 F², A_Write etwa 37 F² und A_se gleich 112 F². In einer spezifischen Ausführungsform für eine 1024 × 1024-Anordnung ist der Vorderseitenbedarf für die Auswahl, Erfassungs- und Schreibschaltung pro Zelle in der Gleichung (4) gegeben:
In einem weiteren Aspekt kann ein GSHE-MTJ-Stapel bereitgestellt sein, wobei die Antiferromagnetschicht (AFM-Schicht) eine obere Schicht in einer Bitzelle ist. In einer Ausführungsform umfasst ein GSHE-MTJ-Stapel die AFM-Schicht als obere Schicht, um den Rückseitenflächenverbrauch der GSHE-Kreuzpunktanordnung zu reduzieren und somit höhere Dichten bereitzustellen. In einem Beispiel veranschaulicht 7 eine Querschnittsansicht einer Bitzelle 700, die eine Konnektivität mit einer Auswahlleitung (SL), einer Bitleitung (BL) und einer Wortleitung (WL) aufweist, zusammen mit einer entsprechenden schematischen Draufsicht auf die Vorrichtung 700 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 7 kann die gezeigte Bitzelle 700 für einen Kreuzpunkt-GSHE-MRAM verwendet werden, beispielsweise unter Verwendung von Metallschichten M2, M3, M4 und M5. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst der Materialstapel der Bitzelle 700, in Bezug auf die Ausrichtung eines darunterliegenden Substrats (nicht gezeigt), eine obere Elektrode 702 (beispielsweise Ru/Ta/Ru), eine AFM-Schicht 704 (beispielsweise IrMn), einen SAF-Stapel 706 (beispielsweise CoFe/Ru), einen MTJ-Stapel 708 (beispielsweise CoFeB/MgO/CoFeB) und eine untere Spin-Hall-Metallelektrode 710. Es gilt zu verstehen, dass die gezeigten spezifischen Materialien nur Beispielzwecken dienen. Andere mögliche Materialien für die oben genannten Schichten sind unten näher beschrieben. Zur weiteren Verdeutlichung zeigt 8 Querschnittsansichten der Vorrichtung von 7, die (a) entlang der Achse a-a' und (b) entlang der Achse b-b' genommen sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung von 7 kann in einer Ausführungsform in einem kompakten Kreuzpunkt-GSHE-MRAM mit invertierten MTJ-Stapeln verwendet werden. Die Bitzelle wird durch eine zwischen der BL und der WL angelegte schwache Lesespannung ausgelesen. Die restlichen Leitungen sind in einem Hoch-Z-Zustand. Die Vorrichtung kann in einer Ausführungsform zwischen den Metallschichten M1–M3 ausgebildet sein, wie in 8 dargestellt.
Somit kann in einem weiteren Aspekt die Vorrichtung von 7 und 8 in einer Kreuzpunktanordnung enthalten sein, um GSHE-MRAM bereitzustellen, bei dem jede Bitzelle eine AFM-Schicht in der oberen Schicht aufweist. Insbesondere ist in einer Ausführungsform eine Bitzelle mit der Anordnung der Vorrichtung 700 in einem Kreuzpunktanordnungs-GSHE-MRAM verwirklicht. Beispielsweise zeigt 9 eine Bitzellenperspektivansicht einer Kreuzpunktanordnung 902, die Bitzellen 904 mit oberen AFM-Schichten aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10 ist eine Draufsicht auf die Kreuzpunktanordnung 902 von 9. Unter Bezugnahme auf 9 und 10 ist eine kompakte Kreuzpunktanordnung für GSHE-MRAM mit einer AFM-Schicht in der oberen Schicht der Bitzelle bereitgestellt. Die Rückseiten-MRAM-Dichte für eine zugehörige Schicht des MRAM ist in Gleichung (5) gegeben: A_GSHE-CP = 12F_M2F_M3 (5)
In einem weiteren Aspekt erfahren Kreuzpunktanordnungsspeicher herkömmlicherweise anomale Ströme die die erreichbare maximale Größe der Anordnung begrenzen können. Um solche Probleme zu lösen, wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine vorladende Hoch-Z-Zeilenprogrammiertechnik verwendet, um die Auswirkungen der anomalen Ströme zu reduzieren. Zum Beispiel umfasst in einer solchen Ausführungsform ein Verfahren zum Vermeiden von anomalen Strömen in einer GSHE-MRAM-Kreuzpunktanordnung ein Vorladen der SL und der WL auf die geeigneten Spannungen, um die SL und die BL in Zustände mit hoher Impedanz zu versetzen (beispielsweise nach dem Laden). In einer weiteren solchen Ausführungsform umfasst ein Verfahren ein Programmieren einer vollständigen Zeile (z. B. eines Worts) für jeden Schreibvorgang. Beide Ansätze sind im Folgenden näher beschrieben.
In einer ersten Ausführungsform umfasst ein Ansatz zum Vermeiden von Schreib- und Lesestörungen ein Vorladen der Leitungen, um anomale Ströme zu vermeiden und sie in Zustände mit hoher Impedanz zu versetzen. Als ein Beispiel zeigt 11 ein Verfahren zum Schreiben einer logischen 1 in einem Kreuzpunkt-MRAM-GSHE 1100, um anomale Ströme zu vermeiden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 11 werden die SL und die WL der nicht ausgewählten Zeilen 1102, 1104, 1106 und 1108 bis zu V_write oder V_write/2 geladen und in einen Zustand hoher Impedanz (Hoch-Z) versetzt. Als ein weiteres Beispiel zeigt 12 ein Verfahren zum Schreiben einer logischen 0 in einem Kreuzpunkt-GSHE-MRAM 1200, um anomale Ströme zu vermeiden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 12 werden die SL und die WL der nicht ausgewählten Zeilen 1202, 1204, 1206, 1208 und 1210 bis zu –V_write oder –V_write/2 geladen und in einen Zustand hoher Impedanz (Hoch-Z) versetzt.
In einer zweiten Ausführungsform umfasst ein Ansatz zum Vermeiden von Schreib- und Lesestörungen einen besonderen Leseansatz. Beispielsweise zeigt 13 ein Verfahren zum Lesen eines Kreuzpunkt-GSHE-MRAM 1300, um anomale Ströme zu vermeiden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 13 werden die SL und die WL der nicht ausgewählten Zeilen 1302, 1304, 1306 und 1308 bis zu V_read geladen und in einen Zustand hoher Impedanz (Hcoh-Z) versetzt.
Insgesamt können im Vergleich zu einem herkömmlichen, auf MTJ basiertem MRAM Energie-, Verzögerungs- und Spannungsvorteile eines Spin-Hall-Effekt-Speichers realisiert werden. Solche Energie- und Spannungsvorteile eines Spin-Hall-Effekt-Speichers sind mit analytischen und nanomagnetischen Simulationen verifiziert worden. Die analytische Beziehung, die die Schaltzeit mit der Schreibspannung eines Spin-Drehmoment-Speichers mit einer kritischen Spannung V_c verbindet, ist in den Gleichungen (6) und (7) gegeben:
wobei θ₀ der Effekt der stochastischen Schwankungen aufgrund von thermischem Rauschen ist und auf der thermischen Barriere des Magneten eines Volumens, einer Sättigungsmagnetisierung und einer Anisotropie basiert, und wobei τ₀ die charakteristische Zeit ist. I_c ist die kritische Stromstärke für ein durch Spin-Drehmoment induziertes magnetisches Schalten. Die Gültigkeit von Gleichung 6 ist mittels stochastischer Spin-Drehmoment-Simulationen eines Nanomagneten bestätigt worden.
Die Spannung ist in 14 gegen die Schaltzeit des Spin-Hall-Effekt-Schaltens aufgetragen. Insbesondere ist 14 ein Diagramm 1400 der Schaltzeit (in ns) als Funktion der angelegten Spannung (in V) für eine STT-Schaltvorrichtung mit einem auf GSHE oder MTJ basiertem Schreibmechanismus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Für eine identische Schaltdynamik (z. B. eine identische Verzögerung und identische kritischen Stromstärken) ist die relative Schaltenergie des GSHE-Schreibens auf MTJ-STT-Vorrichtungen in Gleichung (8) gegeben:
Um den Effekt der Abmessungsskalierung zu verstehen, ist das Energieverhältnis, das zum Schalten mit identischen Nanomagneten (z. B. mit identischer Barriere, identischer Dämpfung und identischen kritischen Stromstärken) erforderlich ist, in 15 dargestellt. Insbesondere ist 15 ein Diagramm 1500, das die relative Schaltenergie für auf GSHE und auf MTJ basiertes Magnetspeicherschreiben für eine variierende Nanomagnetbreite für ein GSHE-Metall mit einer Dicke von 4 nm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Unter Bezugnahme auf das Diagramm 1500 sind die relativen Energieskalierungen mit dem Widerstand der Schreibelektrode umgekehrt proportional zum Quadrat der Spininjektionseffizienz. Für MTJ-Vorrichtungen ist das erste Produkt von Gleichung (8) grundlegend beschränkt, da ein Verringern des Tunnelwiderstands mit einem Verringern der Spinpolarisation gekoppelt ist. Als Beispiel für Materialparameter ist 16 eine Tabelle 1600 von Material- und Transportparametern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2A und 7 ist in einer Ausführungsform die Spin-Hall-Metallelektrode 210 bzw. 710 jeweils aus einem Metall wie beispielsweise β-Tantal (β-Ta), β-Wolfram (β-W) oder Platin (Pt) zusammengesetzt, aber nicht darauf beschränkt, wobei die Elektrode in Kontakt mit dem entsprechenden MTJ 208 oder 708 ist. In einer Ausführungsform geht die Spin-Hall-Metallelektrode 210 oder 710 an einem Ende der Elektrode in ein normales Metall mit hoher Leitfähigkeit (beispielsweise Kupfer (Cu)) über.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2A und 7 ist in einer Ausführungsform die magnetische Schicht des entsprechenden MTJ-Stapels 208 und 708, die der Elektrode 210 bzw. 710 am nächsten ist, eine freie magnetische Schicht. Die freie magnetische Schicht besteht aus einem Material, das für einen Übergang zwischen einem Mehrheits-Spin und einem Minderheits-Spin je nach Anwendung geeignet ist. Somit kann die freie magnetische Schicht (oder die Speicherschicht) als ferromagnetische Speicherschicht bezeichnet werden. In einer Ausführungsform besteht die freie magnetische Schicht aus einer Schicht aus Kobalt-Eisen (CoFe) oder Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB).
Unter erneuter Bezugnahme auf 2A und 7 ist in einer Ausführungsform die magnetische Schicht des entsprechenden MTJ-Stapels 208 und 708, die am weitesten von der Elektrode 210 bzw. 710 entfernt ist, eine feste magnetische Schicht. Die feste magnetische Schicht besteht aus einem Material oder einem Stapel aus Materialien zum Aufrechterhalten eines festen Mehrheits-Spins. Somit kann die feste magnetische Schicht (oder Referenzschicht) als ferromagnetische Schicht bezeichnet werden. In einer Ausführungsform besteht die feste magnetische Schicht aus einer einzigen Schicht aus Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB). In einer weiteren Ausführungsform besteht die feste magnetische Schicht aber aus einem Stapel aus einer Kobalt-Eisen-Bor-Schicht (CoFeB-Schicht), einer Ruthenium-Schicht (Ru-Schicht) und einer Kobalt-Eisen-Bor-Schicht (CoFeB-Schicht).
Unter erneuter Bezugnahme auf 2A und 7 ist in einer Ausführungsform die Schicht des entsprechenden MTJ-Stapels 208 und 708, die zwischen der festen und der freien magnetischen Schicht liegt, eine dielektrische Schicht. Die dielektrische Schicht besteht aus einem Material, das geeignet ist, um Strom eines Mehrheits-Spins durch die Schicht passieren zu lassen, während Strom eines Minderheit-Spins zumindest in gewissem Umfang daran gehindert wird, die Schicht zu passieren. Somit kann die dielektrische Schicht (oder Spinfilterschicht) als Tunnelschicht bezeichnet werden. In einer Ausführungsform besteht die dielektrische Schicht aus einem Material wie beispielsweise Magnesiumoxid (MgO) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), ist aber nicht darauf beschränkt. In einer Ausführungsform weist die dielektrische Schicht eine Dicke von ungefähr 1 Nanometer auf.
In einer Ausführungsform ist ein synthetischer Antiferromagnet (SAF) angrenzend an die feste magnetische Schicht angeordnet. Beispielsweise umfassen Abschnitte 206 und 706 der Bitzellen 200 bzw. 700 einen Ru/CoFe-Stapel. Es gilt zu verstehen, dass in einer Ausführungsform die Ru-Dicke sehr spezifisch ist, beispielsweise 8–9 Angström, so dass die Kopplung zwischen der CoFeB-Schicht (festen Schicht) und der CoFe-Schicht antiferromagnetisch ist. Das heißt, dass sie in entgegengesetzte Richtungen weisen. In einer Ausführungsform ist eine antiferromagnetische Schicht (z. B. IrMn) 204 bzw. 704 angrenzend an den SAF-Stapel 206 bzw. 706 enthalten.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2A und 7 besteht in einer Ausführungsform die Elektrode 202 oder 702 gegenüber der Spin-Hall-Elektrode 210 bzw. 710 jeweils aus einem Material oder einem Stapel von Materialien, die zur elektrischen Kontaktierung der Seite der festen magnetischen Schicht der Bitzelle 200 oder 700 geeignet sind. In einer Ausführungsform ist die Elektrode 202 oder 702 eine topographisch glatte Elektrode. In einer solchen Ausführungsform weist die Elektrode 202 oder 702 eine Dicke auf, die für eine gute Leitfähigkeit geeignet ist, aber wenig bis gar keine säulenförmige Strukturbildung aufweist, die sonst zu einer rauen Oberfläche führen würde. Solch eine topographisch glatte Elektrode kann als strukturell amorph bezeichnet. In einer spezifischen Ausführungsform besteht die Elektrode 202 oder 702 aus Ru-Schichten, die mit Ta-Schichten verschachtelt sind. Effektiv kann die Elektrode 202 oder 702 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglicherweise nicht eine herkömmliche dicke Einzelmetallelektrode wie beispielsweise eine Ru-Elektrode sein, sondern ein verschachtelter Ru/Ta-Materialstapel. In alternativen Ausführungsformen ist die Elektrode 202 oder 702 jedoch eine herkömmliche dicke Einzelmetallelektrode wie beispielsweise eine Ru-Elektrode.
In bestimmten Aspekten und mindestens einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung tragen bestimmte Begriffe bestimmte definierbare Bedeutungen. Zum Beispiel ist eine ”freie” magnetische Schicht eine magnetische Schicht, die eine Rechenvariable speichert. Eine ”feste” magnetische Schicht ist eine magnetische Schicht mit fester Magnetisierung (magnetisch härter als die freie magnetische Schicht). Eine Tunnelbarriere wie beispielsweise ein Tunneldielektrikum oder ein Tunneloxid ist zwischen der freien und der festen magnetischen Schicht angeordnet. Eine feste magnetische Schicht kann strukturiert werden, um Eingänge und Ausgänge zu einer zugeordneten Schaltung zu schaffen. Die Magnetisierung kann durch den Spin-Hall-Effekt geschrieben werden. Die Magnetisierung kann über den Tunnelmagnetowiderstandseffekt gelesen werden, während eine Spannung angelegt wird. In einer Ausführungsform ist es die Rolle der dielektrischen Schicht, ein großes Magnetowiderstandsverhältnis zu bewirken. Der Magnetowiderstand ist das Verhältnis der Differenz zwischen den Widerständen, wenn die zwei ferromagnetischen Schichten antiparallele Magnetisierungen aufweisen, und dem Widerstand des Zustands mit den parallelen Magnetisierungen.
In einer Ausführungsform fungiert der MTJ (z. B. MTJ 208 oder 708) im Wesentlichen als ein Widerstand, wobei der Widerstand eines elektrischen Pfads durch den MTJ abhängig von der Richtung oder der Orientierung der Magnetisierung in der freien magnetischen Schicht und in der festen magnetischen Schicht in zwei Widerstandszuständen, entweder ”hoch” oder ”niedrig”, existieren kann. In dem Fall, in dem die Spinrichtung in der freien magnetischen Schicht von einer Minderheit ist, ist ein Zustand mit hohem Widerstand vorhanden, wobei die Magnetisierungsrichtungen in der freien magnetischen Schicht und der festen magnetischen Schicht im Wesentlichen entgegengesetzt oder antiparallel zueinander sind. In dem Fall, in dem die Spinrichtung der freien magnetischen Schicht von der Mehrheit ist, ist ein Zustand mit niedrigem Widerstand vorhanden, wobei die Magnetisierungsrichtungen in der freien magnetischen Schicht und der festen magnetischen Schicht im Wesentlichen übereinstimmen oder parallel zueinander sind. Es ist zu verstehen, dass die Begriffe ”niedrig” und ”hoch” in Bezug auf den Widerstandszustand des MTJ relativ zueinander gemeint sind. Mit anderen Worten ist der Zustand mit hohem Widerstand lediglich ein detektierbar höherer Widerstand als der Zustand mit niedrigem Widerstand und umgekehrt. Somit können mit einer nachweisbaren Widerstandsdifferenz der Zustand mit hohem Widerstand und der Zustand mit niedrigem Widerstand verschiedene Bits an Informationen darstellen (d. h. eine ”0” oder eine ”1”).
Somit kann der MTJ ein einzelnes Bit an Informationen (”0” oder ”1”) durch seinen Magnetisierungszustand speichern. Die in dem MTJ gespeicherte Information wird durch Anlegen eines Stroms durch den MTJ erfasst. Die freie magnetische Schicht benötigt keine Energie, um ihre magnetische Orientierung zu behalten. Daher wird der Zustand des MTJ beibehalten, wenn die Energie für die Vorrichtung wegfällt. Daher ist eine Speicherbitzelle, die aus dem Stapel 208 oder 708 von 2A bzw. 7 besteht, in einer Ausführungsform nichtflüchtig.
Obwohl das Verfahren zum Herstellen des Stapels von Schichten der Bitzellen 200 oder 700 für beispielsweise eine Speicherbitzelle hier nicht vollständig im Einzelnen beschrieben worden ist, ist selbstverständlich, dass die Schritte zur Herstellung Standard-Mikroelektronik-Herstellungsprozesse wie etwa Lithographie, Ätzen, Dünnschichtabscheidung, Planarisierung (wie etwa chemisch-mechanisches Polieren (CMP)), Diffusion, Messtechnik, die Verwendung von Opferschichten, die Verwendung von Ätzstoppschichten, die Verwendung von Planarisierungsstoppschichten und/oder jeglichen anderen Vorgang im Zusammenhang mit der Herstellung von mikroelektronischen Komponenten umfassen können.
17 zeigt eine Blockdarstellung eines elektronischen Systems 1700 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das elektronische System 1700 kann beispielsweise einem tragbaren System, einem Computersystem, einem Prozesssteuersystem oder irgendeinem anderen System, das einen Prozessor und einen zugehörigen Speicher nutzt, entsprechen. Das elektronische System 1700 kann einen Mikroprozessor 1702 (mit einem Prozessor 1704 und einer Steuereinheit 1706), eine Speichervorrichtung 1708 und eine Eingabe-/Ausgabevorrichtung 1710 umfassen (selbstverständlich kann das elektronische System 1700 mehrere Prozessoren, Steuereinheiten, Speichervorrichtungseinheiten und/oder Eingabe-/Ausgabevorrichtungen in verschiedenen Ausführungsformen aufweisen). In einer Ausführungsform weist das elektronische System 1700 einen Satz von Befehlen auf, die Operationen, die von dem Prozessor 1704 an Daten durchgeführt werden sollen, sowie andere Transaktionen zwischen dem Prozessor 1704, der Speichervorrichtung 1708 und der Eingabe-/Ausgabevorrichtung 1710 definieren. Die Steuereinheit 1706 koordiniert die Operationen des Prozessors 1704, der Speichervorrichtung 1708 und der Eingabe-/Ausgabevorrichtung 1710 durch Durchlaufen eines Satzes von Operationen, die veranlassen, dass Befehle aus der Speichervorrichtung 1708 abgerufen und ausgeführt werden. Die Speichervorrichtung 1708 kann einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM) in Kreuzpunktanordnung umfassen, der wie hier beschrieben auf dem Spin-Hall-Magnettunnelübergang (MTJ) basierte Vorrichtungen implementiert. In einer Ausführungsform ist die Speichervorrichtung 1708 in den Mikroprozessor 1702 eingebettet, wie in 17 dargestellt.
18 zeigt eine Rechenvorrichtung 1800 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Rechenvorrichtung 1800 nimmt eine Platine 1802 auf. Die Platine 1802 kann eine Anzahl von Komponenten, einschließlich eines Prozessors 1804 und mindestens eines Kommunikationschips 1806 umfassen, ist aber nicht auf diese beschränkt. Der Prozessor 1804 ist physisch und elektrisch mit der Platine 1802 verbunden. In einigen Implementierungen ist der mindestens eine Kommunikationschip 1806 ebenfalls physisch und elektrisch mit der Platine 1802 gekoppelt. In weiteren Implementierungen ist der Kommunikationschip 1806 Teil des Prozessors 1804.
Je nach ihren Anwendungen kann die Rechenvorrichtung 1800 andere Komponenten umfassen, die physisch und elektrisch mit der Platine 1802 gekoppelt sind oder nicht. Diese anderen Komponenten umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, einen flüchtigen Speicher (beispielsweise DRAM), einen nichtflüchtigen Speicher (beispielsweise ROM), einen Flash-Speicher, einen Graphikprozessor, einen Digitalsignalprozessor, einen Kryptoprozessor, einen Chipsatz, eine Antenne, eine Anzeige, eine Berührungsbildschirmanzeige, einen Berührungsbildschirm-Controller, eine Batterie, einen Audio-Codec, einen Video-Codec, einen Leistungsverstärker, eine Vorrichtung für das globale Positionsbestimmungssystem (GPS-Vorrichtung), einen Kompass, einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop, einen Lautsprecher, eine Kamera und eine Massenspeichervorrichtung (wie etwa ein Festplattenlaufwerk, eine CD, eine DVD und so weiter).
Der Kommunikationschip 1806 ermöglicht eine drahtlose Kommunikation für die Übertragung von Daten zu und von der Rechenvorrichtung 1800. Der Begriff ”drahtlos” und Ableitungen daraus werden verwendet, um Schaltungen, Vorrichtungen, Systeme, Verfahren, Techniken, Kommunikationskanäle usw. zu beschreiben, die Daten durch die Verwendung von modulierter elektromagnetischer Strahlung durch ein nichtfestes Medium vermitteln können. Der Begriff bedeutet nicht, dass die damit verbundenen Vorrichtungen keine Drähte enthalten, obwohl sie das in einigen Ausführungsformen vielleicht nicht tun. Der Kommunikationschip 1806 kann einen beliebigen einer Reihe von Drahtlos-Standards oder Drahtlos-Protokollen implementieren, die Wi-Fi (IEEE-802.11-Familie), WiMAX (IEEE-802.16-Familie), IEEE 802.20, Long Term Evolution (LTE), EV-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, Ableitungen davon, sowie beliebige andere Drahtlos-Protokolle, die als 3G, 4G, 5G und darüber hinaus bezeichnet sind, umfassen können, aber nicht auf diese beschränkt sind. Die Rechenvorrichtung 1800 kann mehrere Kommunikationschips 1806 umfassen. Zum Beispiel kann ein erster Kommunikationschip 1806 für drahtlose Kommunikation kürzerer Reichweite wie beispielsweise Wi-Fi und Bluetooth bestimmt sein und ein zweiter Kommunikationschip 1806 für drahtlose Kommunikation größerer Reichweite wie beispielsweise GPS, EDGE, GPRS, CDMA, WiMAX, LTE, EV-DO und andere bestimmt sein.
Der Prozessor 1804 der Rechenvorrichtung 1800 umfasst einen Chip mit integrierter Schaltung, der innerhalb des Prozessors 1804 in einer Baugruppe aufgenommen ist. In einigen Implementierungen der Erfindung kann der Chip mit integrierter Schaltung des Prozessors eine oder mehrere Anordnungen wie etwa einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM) in Kreuzpunktanordnung, der wie hier beschrieben auf dem Spin-Hall-Magnettunnelübergang (Spin-Hall-MTJ) basierte Vorrichtungen implementiert und gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebaut ist, umfassen. Der Begriff ”Prozessor” kann jegliche Vorrichtung oder jeglichen Teil einer Vorrichtung bezeichnen, die elektronische Daten aus Registern und/oder einem Speicher verarbeitet, um diese elektronischen Daten in andere elektronische Daten umzuwandeln, die in Registern und/oder einem Speicher gespeichert werden können.
Der Kommunikationschip 1806 umfasst ebenfalls einen Chip mit integrierter Schaltung, der innerhalb des Prozessors 1804 in einer Baugruppe aufgenommen ist. Gemäß einer weiteren Implementierung der Erfindung kann der Chip mit integrierter Schaltung des Kommunikationschips eine oder mehrere Anordnungen wie etwa einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM) in Kreuzpunktanordnung, der wie hier beschrieben auf dem Spin-Hall-Magnettunnelübergang (Spin-Hall-MTJ) basierte Vorrichtungen implementiert und gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebaut ist, umfassen.
In weiteren Implementierungen kann eine weitere Komponente, die in der Rechenvorrichtung 1800 aufgenommen ist, einen eigenständigen Speicherchip mit integrierter Schaltung enthalten, der eine oder mehrere Anordnungen wie etwa einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM) in Kreuzpunktanordnung, der wie hier beschrieben auf dem Spin-Hall-Magnettunnelübergang (Spin-Hall-MTJ) basierte Vorrichtungen implementiert und gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebaut ist, umfassen.
In verschiedenen Implementierungen kann die Rechenvorrichtung 1800 ein Laptop, ein Netbook, ein Notebook, ein Ultrabook, ein Smartphone, ein Tablet, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), ein ultramobiler PC, ein Mobiltelefon, ein Arbeitsplatzrechner, ein Server, ein Drucker, ein Scanner, ein Monitor, ein Beistellgerät, eine Unterhaltungssteuereinheit, eine Digitalkamera, ein tragbarer Musikspieler oder ein digitaler Videorekorder sein. In weiteren Implementierungen kann die Rechenvorrichtung 1800 eine andere elektronische Vorrichtung sein, die Daten verarbeitet.
Dementsprechend beziehen sich eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allgemein auf die Herstellung eines mikroelektronischen Speichers. Der mikroelektronische Speicher kann nichtflüchtig sein, wobei der Speicher gespeicherte Informationen selbst dann erhalten kann, wenn er nicht mit Energie versorgt wird. Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf die Herstellung eines magnetoresistiven Direktzugriffsspeichers (MRAM) in Kreuzpunktanordnung, der wie hier beschrieben auf dem Spin-Hall-Magnettunnelübergang (Spin-Hall-MTJ) basierte Vorrichtungen implementiert, für nichtflüchtige mikroelektronische Speichervorrichtungen. Eine solche Anordnung kann in einem eingebetteten nichtflüchtigen Speicher entweder aufgrund der Nichtflüchtigkeit oder als Ersatz für einen eingebetteten dynamischen Direktzugriffsspeicher (eDRAM) verwendet werden. Zum Beispiel kann eine solche Anordnung für 1T-1X-Speicher (X = Kondensator oder Widerstand) bei wettbewerbsfähigen Zellgrößen innerhalb eines vorgegebenen Technologieknotens verwendet werden.
Somit umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM) in Kreuzpunktanordnung, der Vorrichtungen implementiert, die auf einem Spin-Hall-Magnettunnelübergang (Spin-Hall-MTJ) basieren, und Verfahren zum Betreiben solcher Anordnungen.
In einer Ausführungsform umfasst eine Bitzelle für einen nichtflüchtigen Speicher einen Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel), der über einem Substrat angeordnet ist und eine freie magnetische Schicht aufweist, die über einer dielektrischen Schicht angeordnet ist, die über einer festen magnetischen Schicht angeordnet ist. Die Bitzelle umfasst zudem eine Spin-Hall-Metallelektrode, die über der freien magnetischen Schicht des MTJ-Stapels angeordnet ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Spin-Hall-Metallelektrode ein Metall wie etwa, aber nicht beschränkt auf, β-Tantal (β-Ta), β-Wolfram (β-W) oder Platin (Pt) und das Metall wird auf der freien magnetischen Schicht angeordnet.
In einer Ausführungsform umfasst die Spin-Hall-Elektrode ferner ein zweites, anderes Metall auf einer Seite der freien magnetischen Schicht.
In einer Ausführungsform ist die Spin-Hall-Metallelektrode auf der freien magnetischen Schicht angeordnet, die freie magnetische Schicht ist auf der dielektrischen Schicht angeordnet, die dielektrische Schicht ist auf der festen magnetischen Schicht angeordnet, und die Bitzelle umfasst ferner eine untere Elektrode, eine Antiferromagnetschicht (AFM-Schicht), die auf der unteren Elektrode angeordnet ist, und einen synthetischen Antiferromagnetstapel (SAF-Stapel), der auf der AFM-Schicht angeordnet ist. Der MTJ-Stapel ist auf dem SAF Stapels angeordnet.
In einer Ausführungsform besteht die freie magnetische Schicht aus CoFeB, die dielektrische Schicht besteht aus Magnesiumoxid (MgO), die feste magnetische Schicht besteht aus CoFeB, der SAF Stapel besteht aus einer Schicht aus Ruthenium (Ru), die auf einer Schicht aus CoFe angeordnet ist, die AFM-Schicht besteht aus IrMn und die untere Elektrode besteht aus einem Ru/Ta/Ru-Stapel.
In einer Ausführungsform weist die Spin-Hall-Metallelektrode ein erstes Ende und ein zweites Ende auf und der MTJ-Stapel ist zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angeordnet. Die Bitzelle umfasst ferner eine untere Elektrode, eine Wortleitung, die mit der unteren Elektrode gekoppelt ist, eine Auswahlleitung, die mit dem ersten Ende der Spin-Hall-Metallelektrode gekoppelt ist, und eine Bitleitung, die mit dem zweiten Ende der Spin-Hall-Metallelektrode gekoppelt ist. MTJ-Stapels auf der unteren Elektrode angeordnet und mit ihr gekoppelt.
In einer Ausführungsform umfasst ein magnetoresistiver Riesen-Spin-Hall-Effekt-Direktzugriffsspeicher (GSHE-MRAM) in Kreuzpunktanordnung mehrere Bitzellen, wobei jede Bitzelle eine Spin-Hall-Metallelektrode, die mit einem Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel) gekoppelt ist, und eine zweite Elektrode, die mit dem MTJ-Stapel gekoppelt ist, aufweist. Mehrere Auswahlleitungen sind ebenfalls enthalten, wobei jede Auswahlleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem ersten Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist. Mehrere Bitleitungen sind ebenfalls enthalten, wobei jede Bitleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem zweiten, anderen Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist. Mehrere Wortleitungen sind ebenfalls enthalten, wobei jede Wortleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an der zweiten Elektrode der jeweiligen der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle ein Metall wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, β-Tantal (β-Ta), β-Wolfram (β-W) oder Platin (Pt) und das Metall ist auf einer freien magnetischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet.
In einer Ausführungsform umfasst die Spin-Hall-Elektrode ferner ein zweites, anderes Metall auf einer Seite der freien magnetischen Schicht.
In einer Ausführungsform ist die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle über einer freien magnetischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet die freie magnetische Schicht ist auf einer dielektrischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet, die dielektrische Schicht ist auf einer festen magnetischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet, und jede Bitzelle umfasst ferner eine untere Elektrode, eine Antiferromagnetschicht (AFM-Schicht), die auf der unteren Elektrode angeordnet ist, und einen synthetischen Antiferromagnet-Stapel (SAF-Stapel), der auf der AFM-Schicht angeordnet ist. Der MTJ-Stapel ist auf dem SAF Stapel angeordnet.
In einer Ausführungsform besteht die freie magnetische Schicht aus CoFeB, die dielektrische Schicht besteht aus Magnesiumoxid (MgO), die feste magnetische Schicht besteht aus CoFeB, der SAF-Stapel besteht aus einer Schicht aus Ruthenium (Ru), die auf einer Schicht aus CoFe angeordnet ist, die AFM-Schicht besteht aus IrMn und die untere Elektrode besteht aus einem Ru/Ta/Ru Stapel.
In einer Ausführungsform ist die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle unter einer freien magnetischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet, die freie magnetische Schicht unter einer dielektrischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet, die dielektrische Schicht unter einer festen magnetischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet, und jede Bitzelle umfasst ferner eine obere Elektrode, eine Antiferromagnetschicht (AFM-Schicht), die unter der unteren Elektrode angeordnet ist, und einen synthetischen Antiferromagnet-Stapel (SAF-Stapel), der unter der AFM-Schicht angeordnet ist. Der MTJ-Stapel ist unter dem SAF-Stapel angeordnet.
In einer Ausführungsform besteht die freie magnetische Schicht aus CoFeB, die dielektrische Schicht besteht aus Magnesiumoxid (MgO), die feste magnetische Schicht besteht aus CoFeB, der SAF-Stapel besteht aus einer Schicht aus Ruthenium (Ru), die auf einer Schicht aus CoFe angeordnet ist, die AFM-Schicht besteht aus IrMn und die obere Elektrode besteht aus einem Ru/Ta/Ru-Stapel.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Schreiben einer logischen 1 in eine Bitzelle in einem magnetoresistiven Riesen-Spin-Hall-Effekt-Direktzugriffsspeicher (GSHE-MRAM) in Kreuzpunktanordnung ein Identifizieren einer Ziel-Bitzelle unter mehreren Bitzellen, wobei jede Bitzelle eine Spin-Hall-Metallelektrode, die mit einem Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel) gekoppelt ist, und eine zweite Elektrode, die mit dem MTJ-Stapel gekoppelt ist, aufweist, und ein Erhöhen einer Bitleitungsspannung einer Bitleitung, die mit der Ziel-Bitzelle gekoppelt ist, auf eine Schreibspannung, wobei die Bitleitung aus mehreren Bitleitungen ausgewählt ist, wobei jede Bitleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem ersten Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist; und Verringern einer Auswahlleitungsspannung einer Auswahlleitung, die mit der Bitzelle gekoppelt ist, auf Masse, wobei die Auswahlleitung aus mehreren Auswahlleitungen ausgewählt ist, die einen Zustand mit hoher Impedanz aufweisen, wobei jede Auswahlleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem zweiten, anderen Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein weiteres Halten mehrerer Wortleitungen auf hoher Impedanz, wobei jede Wortleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an der zweiten Elektrode der jeweiligen der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform ist die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle in Bezug auf ein darunterliegendes Substrat über dem MTJ-Stapel angeordnet.
In einer Ausführungsform ist die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle in Bezug auf ein darunterliegendes Substrat über dem MTJ-Stapel angeordnet.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Schreiben einer logischen 0 in eine Bitzelle in einem magnetoresistiven Riesen-Spin-Hall-Effekt-Direktzugriffsspeicher (GSHE-MRAM) in Kreuzpunktanordnung ein Identifizieren einer Ziel-Bitzelle unter mehreren Bitzellen, wobei jede Bitzelle eine Spin-Hall-Metallelektrode, die mit einem Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel) gekoppelt ist, und eine zweite Elektrode, die mit dem MTJ-Stapel gekoppelt ist, aufweist. Das Verfahren umfasst ferner ein Absenken einer Bitleitungsspannung einer Bitleitung, die mit der Ziel-Bitzelle gekoppelt ist, auf eine negative Schreibspannung, wobei die Bitleitung aus mehreren Bitleitungen ausgewählt ist, wobei jede Bitleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem ersten Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist. Das Verfahren umfasst zudem ein Verringern einer Auswahlleitungsspannung einer Auswahlleitung, die mit der Bitzelle gekoppelt ist, auf Masse, wobei die Auswahlleitung aus mehreren Auswahlleitungen ausgewählt ist, die einen Zustand mit hoher Impedanz aufweisen, wobei jede Auswahlleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem zweiten, anderen Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein weiteres Halten mehrerer Wortleitungen auf hoher Impedanz, wobei jede Wortleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an der zweiten Elektrode der jeweiligen der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform ist die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle in Bezug auf ein darunterliegendes Substrat über dem MTJ-Stapel angeordnet.
In einer Ausführungsform ist die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle in Bezug auf ein darunterliegendes Substrat über dem MTJ-Stapel angeordnet.

Claims

Bitzelle für einen nichtflüchtigen Speicher, wobei die Bitzelle Folgendes umfasst: einen Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel), der über einem Substrat angeordnet ist, und eine freie magnetische Schicht umfasst, die über einer dielektrischen Schicht angeordnet ist, die über einer festen magnetischen Schicht angeordnet ist; und eine Spin-Hall-Metallelektrode, die über der freien magnetischen Schicht des MTJ-Stapels angeordnet ist.
Bitzelle nach Anspruch 1, wobei die Spin-Hall-Metallelektrode ein Metall umfasst, das aus der folgenden Gruppe gewählt ist: β-Tantal (β-Ta), β-Wolfram (β-W) und Platin (Pt), und wobei das Metall auf der freien magnetischen Schicht angeordnet ist.
Bitzelle nach Anspruch 2, wobei die Spin-Hall-Elektrode ein zweites, anderes Metall auf einer der beiden Seiten der freien magnetischen Schicht umfasst.
Bitzelle nach Anspruch 1, wobei die Spin-Hall-Metallelektrode auf der freien magnetischen Schicht angeordnet ist, die freie magnetische Schicht auf der dielektrischen Schicht angeordnet ist, die dielektrische Schicht auf der festen magnetischen Schicht angeordnet ist, und die Bitzelle ferner Folgendes umfasst: eine untere Elektrode; eine antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht), die auf der unteren Elektrode angeordnet ist; und einen synthetischen Antiferromagnet-Stapel (SAF-Stapel), der auf der AFM-Schicht angeordnet ist, wobei der MTJ-Stapel auf dem SAF-Stapel angeordnet ist.
Bitzelle nach Anspruch 4, wobei die freie magnetische Schicht CoFeB umfasst, die dielektrische Schicht Magnesiumoxid (MgO) umfasst, die feste magnetische Schicht CoFeB umfasst, der SAF-Stapel eine Schicht aus Ruthenium (Ru) umfasst, die auf einer Schicht aus CoFe angeordnet ist, die AFM-Schicht IrMn umfasst und die untere Elektrode einen Ru/Ta/Ru-Stapel umfasst.
Bitzelle nach Anspruch 1, wobei die Spin-Hall-Metallelektrode ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst, der MTJ-Stapel zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angeordnet ist und wobei die Bitzelle ferner Folgendes umfasst: eine untere Elektrode, wobei der MTJ-Stapel über der unteren Elektrode angeordnet ist und mit dieser gekoppelt ist; eine Wortleitung, die mit der unteren Elektrode gekoppelt ist; eine Auswahlleitung, die mit dem ersten Ende der Spin-Hall-Metallelektrode gekoppelt ist; und eine Bitleitung, die mit dem zweiten Ende der Spin-Hall-Metallelektrode gekoppelt ist.
Magnetoresistiver Riesen-Spin-Hall-Effekt-Direktzugriffsspeicher (GSHE-MRAM) in Kreuzpunktanordnung, der Folgendes umfasst: mehrere Bitzellen, wobei jede Bitzelle eine Spin-Hall-Metallelektrode, die mit einem Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel) gekoppelt ist, und eine zweiten Elektrode, die mit dem MTJ-Stapel gekoppelt ist, umfasst; mehrere Auswahlleitungen, wobei jede Auswahlleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem ersten Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist; mehrere Bitleitungen, wobei jede Bitleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem zweiten, anderen Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist; und mehrere Wortleitungen, wobei jede Wortleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an der zweiten Elektrode der jeweiligen der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist.
GSHE-MRAM in Kreuzpunktanordnung nach Anspruch 7, wobei die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle ein Metall umfasst, das aus der folgenden Gruppe gewählt ist: β-Tantal (β-Ta), β-Wolfram (β-W) und Platin (Pt), wobei das Metall auf einer freien magnetischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet ist.
GSHE-MRAM in Kreuzpunktanordnung nach Anspruch 8, wobei die Spin-Hall-Elektrode ein zweites, anderes Metall auf einer der beiden Seiten der freien magnetischen Schicht umfasst.
GSHE-MRAM in Kreuzpunktanordnung nach Anspruch 7, wobei die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle über einer freien magnetischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet ist, die freie magnetische Schicht auf einer dielektrischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet ist, die dielektrische Schicht auf einer festen magnetischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet ist, und jede Bitzelle ferner Folgendes umfasst: eine untere Elektrode; eine antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht), die auf der unteren Elektrode angeordnet ist; und einen synthetischen Antiferromagneten-Stapel (SAF-Stapel), der auf der AFM-Schicht angeordnet ist, wobei der MTJ-Stapel auf dem SAF-Stapel angeordnet ist.
GSHE-MRAM in Kreuzpunktanordnung nach Anspruch 10, wobei die freie magnetische Schicht CoFeB umfasst, die dielektrische Schicht Magnesiumoxid (MgO) umfasst, die feste magnetische Schicht CoFeB umfasst, der SAF-Stapel eine Schicht aus Ruthenium (Ru) umfasst, die auf einer Schicht aus CoFe angeordnet ist, die AFM-Schicht IrMn umfasst und die untere Elektrode einen Ru/Ta/Ru-Stapel umfasst.
GSHE-MRAM in Kreuzpunktanordnung nach Anspruch 7, wobei die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle unter einer freien magnetischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet ist, die freie magnetische Schicht unter einer dielektrischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet ist, die dielektrische Schicht unter einer festen magnetischen Schicht des MTJ-Stapels der Bitzelle angeordnet ist, und jede Bitzelle ferner Folgendes umfasst: eine obere Elektrode; eine antiferromagnetische Schicht (AFM-Schicht), die unter der unteren Elektrode angeordnet ist; und einen synthetischen Antiferromagneten-Stapel (SAF-Stapel), der unter der AFM-Schicht angeordnet ist, wobei der MTJ-Stapel unter dem SAF-Stapel angeordnet ist.
GSHE-MRAM in Kreuzpunktanordnung nach Anspruch 12, wobei die freie magnetische Schicht CoFeB umfasst, die dielektrische Schicht Magnesiumoxid (MgO) umfasst, die feste magnetische Schicht CoFeB umfasst, der SAF-Stapel eine Schicht aus Ruthenium (Ru) umfasst, die auf einer Schicht aus CoFe angeordnet ist, die AFM-Schicht IrMn umfasst und die obere Elektrode einen Ru/Ta/Ru-Stapel umfasst.
Verfahren zum Schreiben einer logischen 1 in eine Bitzelle in einem magnetoresistiven Riesen-Spin-Hall-Effekt-Direktzugriffsspeicher (GSHE-MRAM) in Kreuzpunktanordnung, das Folgendes umfasst: Identifizieren einer Ziel-Bitzelle unter mehreren Bitzellen, wobei jede Bitzelle eine Spin-Hall-Metallelektrode, die mit einem Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel) gekoppelt ist, und eine zweite Elektrode, die mit dem MTJ-Stapel gekoppelt ist, umfasst; Erhöhen einer Bitleitungsspannung einer Bitleitung, die mit der Ziel-Bitzelle gekoppelt ist, auf eine Schreibspannung, wobei die Bitleitung aus mehreren Bitleitungen ausgewählt ist, wobei jede Bitleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem ersten Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist; und Verringern einer Auswahlleitungsspannung einer Auswahlleitung, die mit der Bitzelle gekoppelt ist, auf Masse, wobei die Auswahlleitung aus mehreren Auswahlleitungen ausgewählt ist, die einen Zustand mit hoher Impedanz aufweisen, wobei jede Auswahlleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem zweiten, anderen Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner Folgendes umfasst: Halten mehrerer Wortleitungen auf hoher Impedanz, wobei jede Wortleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an der zweiten Elektrode der jeweiligen der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle in Bezug auf ein darunterliegendes Substrat über dem MTJ-Stapel angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle in Bezug auf ein darunterliegendes Substrat über dem MTJ-Stapel angeordnet ist.
Verfahren zum Schreiben einer logischen 0 in eine Bitzelle in einem magnetoresistiven Riesen-Spin-Hall-Effekt-Direktzugriffsspeicher (GSHE-MRAM) in Kreuzpunktanordnung, das Folgendes umfasst: Identifizieren einer Ziel-Bitzelle unter mehreren Bitzellen, wobei jede Bitzelle eine Spin-Hall-Metallelektrode, die mit einem Magnettunnelübergangs-Stapel (MTJ-Stapel) gekoppelt ist, und eine zweite Elektrode, die mit dem MTJ-Stapel gekoppelt ist, umfasst; Absenken einer Bitleitungsspannung einer Bitleitung, die mit der Ziel-Bitzelle gekoppelt ist, auf eine negative Schreibspannung, wobei die Bitleitung aus mehreren Bitleitungen ausgewählt ist, wobei jede Bitleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem ersten Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist; und Verringern einer Auswahlleitungsspannung einer Auswahlleitung, die mit der Bitzelle gekoppelt ist, auf Masse, wobei die Auswahlleitung aus mehreren Auswahlleitungen ausgewählt ist, die einen Zustand mit hoher Impedanz aufweisen, wobei jede Auswahlleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an einem zweiten, anderen Ende der jeweiligen Spin-Hall-Metallelektrode der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner Folgendes umfasst: Halten mehrerer Wortleitungen auf hoher Impedanz, wobei jede Wortleitung mit einer oder mehreren der mehreren Bitzellen an der zweiten Elektrode der jeweiligen der einen oder der mehreren der mehreren Bitzellen gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle in Bezug auf ein darunterliegendes Substrat über dem MTJ-Stapel angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Spin-Hall-Metallelektrode jeder Bitzelle in Bezug auf ein darunterliegendes Substrat über dem MTJ-Stapel angeordnet ist.