DE19717123A1

DE19717123A1 - Verfahren zur Erkennung von Informationen, die in einer Mram Zelle gespeichert ist, die zwei Schichten unterschiedlicher Dicke aufweist

Info

Publication number: DE19717123A1
Application number: DE19717123A
Authority: DE
Inventors: Saied N Therani; Eugene Chen; Mark Durlam; Xiaodong T Zhu
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1996-05-08
Filing date: 1997-04-23
Publication date: 1997-11-13
Also published as: JPH1055663A; US5703805A; KR970076725A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung von Zuständen, die in einer magnetischen Speicher zelle mit wahlfreiem Zugriff enthalten sind, und insbesondere auf ein Verfahren zur Erkennung von vier Zuständen in einer magnetischen Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff, die zwei Schichten magnetischen Materials aufweist, die durch eine Leiterschicht getrennt sind, wobei jede Schicht einen unter schiedlichen Schaltschwellwert hat.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ein magnetischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAM), der den Riesenmagnetwiderstandseffekt (giant magnetoresitive ef fect) (GMR) verwendet, wurde zur Zeit entwickelt. Beispiels weise wird ein traditioneller MRAM durch eine Vielzahl von Zellen ausgebildet, wobei jede Zelle zwei magnetische Schich ten hat, die durch eine Abstandsschicht getrennt sind. Die Zelle kann ein Bit von Information enthalten, das heißt den logischen "0" oder "1" Zustand. Um zu erkennen, welche Zu stände in der Zelle vorhanden sind, wird zuerst ein Magnet feld einer gewissen Größe auf die Zelle angewandt. Dann wird ein Magnetfeld derselben Stärke aber entgegengesetzter Pola rität angewandt, eine sich ergebende Änderung des Zellwider stands wird durch die Spannungsänderungen auf der Meßleitung erkannt. Wenn die Spannung beispielsweise zunimmt, so enthält die Zelle einen logischen "0" Zustand, und wenn die Spannung abnimmt, so enthält die Zelle einen logischen "1" Zustand. Diese Zustände sind in Verbindung mit der Magnetisierrichtung in einer der beiden magnetischen Schichten enthalten.

Wie oben erwähnt wurde, enthält ein traditioneller MRAM ein Bit Information pro Zelle. Zukünftige Anwendungen fordern je doch eine Speicherarchitektur mit einer höheren Dichte und einer schnelleren Zugriffszeit.

Somit ist es wünschenswert, ein Verfahren für das Erkennen und Speichern von Information in jeder Schicht der Zelle zu verwenden, um die Speicherdichte zu erhöhen und zugleich die Lese- und Schreibzugriffszeit zu verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es wird ein Verfahren gewünscht zur Erkennen eines ersten Zu standes, eines zweiten Zustandes, eines dritten Zustandes und eines vierten Zustandes, die in einer MRAM-Zelle gespeichert sind, das folgende Schritte umfaßt: Anlegen eines ersten mag netischen Feldes an die MRAM-Zelle, Messen des ersten Zustan des und des zweiten Zustandes in der MRAM-Zelle in Erwiderung auf eine Änderung des magnetischen Widerstands der durch das erste Magnetfeld verursacht wird, Anlegen eines anderen zwei ten Magnetfeldes an die MRAM-Zelle, und Messen des dritten Zustandes und des vierten Zustandes in der MRAM-Zelle in Er widerung auf eine Änderung des magnetischen Widerstandes, die durch das zweite Magnetfeld verursacht wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht einer schemati schen MRAM-Zelle, auf die die vorliegende Erfindung angewandt wird;

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Explosionsdarstellung der in Fig. 1 gezeigten schematischen MRAM-Zelle für das Erläutern des Arbeitens der MRAM-Zelle;

Fig. 3 zeigt eine andere Explosionsansicht der in Fig. 1 ge zeigten schematischen MRAM-Zelle für das Erläutern eines Ar beitens der MRAM-Zelle;

Fig. 4 ist ein Schaubild, das die Charakteristika der in Fig. 1 gezeigten MRAM-Zelle zeigt;

Fig. 5 ist ein Schaubild, das die Antwortcharakteristika der MRAM Zelle zeigt, die einen logischen "00" Zustand speichert, von einem Nullmagnetfeld zu einem positiven Feld und von ei nem Nullmagnetfeld zu einem negativen Feld;

Fig. 6 ist ein Schaubild, das die Antwortkennzeichen der MRAM Zelle zeigt, die einen logischen "01" Zustand speichert, von einem Nullmagnetfeld zu einem positiven Feld und von einem Nullmagnetfeld zu einem negativen Feld;

Fig. 7 ist ein Schaubild, das die Antwortkennzeichen der MRAM Zelle zeigt, die einen logischen "10" Zustand speichert, von einem Nullmagnetfeld zu einem positiven Feld und von einem Nullmagnetfeld zu einem negativen Feld;

Fig. 8 ist ein Schaubild, das die Antwortkennzeichen der MRAM Zelle zeigt, die einen logischen "11" Zustand speichert, von einem Nullmagnetfeld zu einem positiven Feld und von einem Nullmagnetfeld zu einem negativen Feld;

Fig. 9 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Erkennung der Zustände, die in der MRAM-Zelle enthalten sind;

Fig. 10 zeigt ein Flußdiagramm eines anderen Verfahrens zur Erkennung der Zustände, die in der MRAM-Zelle enthalten sind;

Fig. 11 zeigt ein Flußdiagramm eines nochmals anderen Verfah rens zur Erkennung der Zustände, die in der MRAM-Zelle ent halten sind.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht einer MRAM-Zelle 10, die eine riesige Magnetwiderstandszelle (GMR) ver wendet, die zwei Schichten hat, die ferromagnetisch verbunden sind. Die MRAM-Zelle 10 umfaßt eine Vielzahl magnetischer Schichten, einschließlich einer ersten magnetischen Schicht 11 und einer zweiten magnetischen Schicht 13. Die Schichten 11 und 13 sind durch eine erste leitende Abstandsschicht 12 getrennt. Die magnetischen Schichten 11 und 13 können jeweils einfache Schichten magnetischen Materials sein, wie bei spielsweise eine Schicht aus Nickel oder Eisen oder Kobalt oder Legierungen davon, einschließlich Legierungen, die Palladium oder Platin aufweisen. Irgendeine der Schichten 11 und 13 kann alternativ eine zusammengesetzte magnetische Schicht sein, wie beispielsweise eine Schicht aus Nickel-Ei sen-Kobalt, die eine Schicht aus Kobalt-Eisen bedeckt oder eine Dreischichtstruktur, die Schichten von Kobalt-Eisen und Nickel-Eisen-Kobalt und Kobalt-Eisen mit Kobalt-Eisen an der Schnittstelle zwischen benachbarten Schichten enthält. Mate rialien, die für die Schicht 12 geeignet sind, umfassen die meisten leitenden Materialien, einschließlich Kupfer, Kupfer legierungen, Chrom und Chromlegierungen. Für einen korrekten Betrieb haben die Schichten 11 und 13 jeweils einen unter schiedlichen Magnetschaltschwellwert. Das heißt, sie schalten die Zustände jeweils auf die Anwendung von unterschiedlichen Größen von Magnetfeldern hin. In der bevorzugten Ausführungs form hat die Schicht 11 eine erste Dicke oder Dicke 23, die typischerweise ungefähr 40 Angström beträgt und die Schicht 13 hat eine zweite Dicke oder Dicke 24, die typischerweise ungefähr 60 Angström beträgt, was mehr als die Dicke 23 ist. Die verschiedenen Dicken werden nachfolgend bei der Diskus sion der Fig. 2 und 3 erläutert.

Die Fig. 2 und 3 zeigen vergrößerte Explosionsdarstellun gen der in Fig. 1 gezeigten MRAM-Zelle 10. Die Teile der Fig. 2 und der Fig. 3, die dieselbe Bezugszahlen wie in Fig. 1 haben, sind dieselben, wie die entsprechenden Elemente der Fig. 1. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Schichten 11 und 13 rechtwinklig und mit den leichten Achsen (easy axis) der Magnetisierung entlang einer Länge 27 und nicht entlang einer Breite 26 ausgebildet. In anderen Ausführungs formen können die leichten Achsen sich entlang der Breite 26 erstrecken. Die Schichten 11 und 13 haben jeweils magnetische Vektoren 21 (Fig. 2) und 22 (Fig. 3), die im wesentlichen entlang der Länge 27 verlaufen, das heißt, im wesentlichen parallel zur Länge 27. Die Schichten 11 und 13 sind durch ei ne ferromagnetische Kupplung miteinander verbunden, die es den Vektoren 21 und 22 gestattet, sich in der gleichen Rich tung in der Abwesenheit eines externen Magnetfeldes aus zu richten. Diese Kupplung ist eine Funktion des Materials und der Dicke der Schicht 12.

Zusätzlich wird die Breite 26 so ausgebildet, daß sie kleiner ist wie die Breite der magnetischen Blockwand (domain wall) oder der Übergangsbreite innerhalb der Schichten 11 und 13. Somit können die Vektoren 21 und 22 nicht parallel zur Breite 26 verlaufen. Typischerweise ergeben sich Breiten von weniger als 1,0 Mikron aus solch einer Einschränkung. In der bevor zugten Ausführungsform beträgt die Breite 26 weniger als ein Mikron und sie ist so klein, wie sie durch die Herstellungs technik gemacht werden kann, und die Länge 27 beträgt unge fähr das Fünffache der Breite 26. Je größer der Wert der Länge 27 ist, desto höher ist die Ausgangsspannung der MRAM-Zelle 10. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke 23 ungefähr zwei bis sechs Nanometer und die Dicke 24 beträgt ungefähr drei bis zehn Nanometer. Wie man später sieht, beeinflußt der Unterschied der Dicken 23 und 24 die Schaltpunkte der Schichten 11 und 13. In der bevorzugten Aus führungsform sind die Schichten 11 und 13 beide aus Zwei schichtstrukturen, die Schichten von Kobalt-Eisen und Nickel-Eisen-Kobalt einschließen, so daß das das Kobalt-Eisen an der Schnittstelle mit der leitenden Schicht 12 liegt.

Da die Dicke 24 größer als die Dicke 23 ist, hat die MRAM-Zelle 10 eine kennzeichnende Kurve des magnetischen Wider stands, die einen breiten Betriebsbereich aufweist. Der Wi derstand kann durch das Messen einer Spannungsausgabe der MRAM-Zelle 10 bestimmt werden. Die Spannungsausgabe ist der Spannungsabfall über der Länge der MRAM-Zelle 10, wenn ein Konstantstrom entlang der Länge der MRAM-Zelle 10 und ein Magnetfeld angelegt werden. Ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes der MRAM-Zelle 10 besteht darin, ein Magnetfeld an zulegen. Wenn das gesamte Magnetfeld in einer Richtung ver läuft, die die magnetischen Vektoren unterstützt, das heißt, in der gleichen Richtung entlang der Länge 27 wie die magne tischen Vektoren, so rotieren die Magnetvektoren im wesentli chen nicht, so daß sich der Widerstand der MRAM-Zelle 10 nicht wesentlich ändert. Entsprechend weist die Ausgangsspan nung auch keine wesentliche Änderung auf.

Wenn das Gesamtmagnetfeld den Vektoren jedoch gegenübersteht, so rotieren die Magnetvektoren. Wenn das Feld zunimmt, begin nen die Vektoren der Schicht 11 auf das entgegengesetzte Ende der Schicht 11 hin zu rotieren (die Vektoren der Schicht 13 können leicht rotieren). Wenn das Feld weiter zunimmt, setzen die Vektoren der Schicht 11 ihre Rotation fort und der Wider stand steigt an, bis die Vektoren in die entgegengesetzte Richtung umschnappen. Bei einem weiteren Anstieg bleibt der Widerstand im wesentlichen konstant, bis die Vektoren der Schicht 13 auch umschnappen. Danach nimmt der Widerstand ab, wenn das Feld zunimmt.

Fig. 4 ist eine Kurve 31, die den Widerstand oder die Span nungsausgabe einer MRAM-Zelle 10 (Fig. 1) über dem angelegten Magnetfeld oder dem Gesamtmagnetfeld zeigt. Die Abszisse zeigt die magnetische Feldrichtung und die Feldstärke, das heißt, die Stärke unterstützt entweder die Magnetvektoren der MRAM-Zelle 10 oder sie steht diesen entgegen. Die Ordinate stellt die Spannungsausgabe der MRAM-Zelle 10 dar. Eine Kurve 32 zeigt die Kennzeichen des Magnetwiderstands über der Aus gabespannung für verschiedene Magnetfeldintensitäten für eine Richtung der Magnetisierungsvektoren. Eine Kurve 33 zeigt die Kennzeichen des Magnetwiderstands über der Ausgabespannung für dieselbe Magnetfeldintensitäten für die entgegengesetzte Richtung der Magnetisierungsvektoren. Rechts von Null zeigen die Kurven 32 und 33 die Ausgabespannung für Magnetfelder, die die Vektoren der Kurve 32 unterstützten und den Vektoren der Kurve 33 entgegenstehen, und die Magnetfelder links von Null unterstützen die Vektoren der Kurve 33 und stehen den Vektoren der Kurve 32 entgegen. Typischerweise kreuzen die Kurven 32 und 33 die Spannungsachse am selben Punkt und sie haben dieselben Minimalwerte. Aus Gründen der Erläuterung ist die Kurve 33 vertikal um eine geringe Menge verschoben, um die Unterschiede zwischen den Kurven zu zeigen.

Wenn kein Feld aufgebracht wird, so beträgt die Spannungsaus gabe der MRAM-Zelle 10 unabhängig von der Magnetisiervektor richtung ungefähr das gleiche. Wenn das Feld von Null auf H₁ zunimmt, so zeigt Kurve 33 die Spannungsausgabe der MRAM-Zelle 10, die Vektoren hat, denen das Gesamtmagnetfeld entge gensteht, und die Kurve 32 zeigt die Spannung der MRAM-Zelle 10, die Vektoren hat, die durch das Magnetfeld unterstützt werden. Bei einer Magnetfeldintensität von H₁ beginnen die Vektoren der Schicht 11 zu rotieren und erhöhen die Ausgabe spannung. Wenn die Gesamtmagnetfeldintensität zwischen H₁ und H₂ zunimmt, so setzen die Magnetvektoren der Schicht 11 ihre Rotation fort und schnappen in die andere Richtung nahe einer Feldintensität von H₂ ein. Nahe H₃ schnappen die Vektoren der dickeren Schicht 13 in die entgegengesetzte Richtung und der Widerstand nimmt für die Werte von H₃ und darüber ab. In ähn licher Weise ist die Ausgabespannung für ein Gesamtmagnetfeld entgegengesetzter Richtung zwischen Null und H₄ bis H₆ ge zeigt.

Da die Schichten 11 und 13 (Fig. 1) verschiedene Dicken ha ben, rotieren die Magnetvektoren mit verschiedenen Intensitä ten des Gesamtmagnetfeldes. Die kennzeichnenden Ergebnisse in den Kurven 32 und 33 haben einen weiten Betriebsbereich. Das heißt, das aufgebrachte Magnetfeld kann von H₂ bis H₃ oder von H₅ bis H₆ ohne eine wesentliche Änderung der Ausgabespan nung variieren. Dies gestattet es dem gesamten Magnetfeld zu variieren oder zu treiben und entschärft die Notwendigkeit für strenge Steuerungen der magnetischen Feldintensität, um somit die Schaltung zu vermindern, die benötigt wird, um das Magnetfeld zu steuern und um die Kosten der Speicher und an derer Vorrichtungen zu vermindern, die die MRAM-Zelle 10 ver wenden.

Wie man aus Fig. 4 sieht, zeigt die MRAM-Zelle 10, die zwei Schichten hat, wobei beide Schichten 11 und 13 unterschiedli che Dicken aufweisen, zwei Betriebskurven in positiven und negativen Magnetfeldern. Somit kann die MRAM-Zelle 10 vier Zustände enthalten und liefern, die der Richtung der Magnet vektoren sowohl in den Schichten 11 und 13 entsprechen, das ist die Zweibitinformation, die durch logisch "00", "01", "10" und "11" dargestellt wird. Die Fig. 5-8 zeigen die Antwortcharakteristika für jede Logik, wenn ein Magnetfeld, das sich von einem Nullmagnetfeld zu einem positiven Feld und von einem Nullmagnetfeld zu einem negativen Feld erstreckt, angelegt wird. Die Abszissen und die Ordinaten zeigen dassel be wie in Fig. 4.

Fig. 5 ist eine Kurve 35, die die Antwortcharakteristika der MRAM-Zelle 10 zeigt, die eine logische "00" enthält. Es wird angenommen, daß die Richtung der Magnetvektoren in den Schichten 11 und 13 in Fig. 2 eine logische "00" darstellen. Da das Magnetfeld von H₁ bis H₂ in einer positiven Richtung zunimmt, beginnen die Magnetvektoren in der dünnen Schicht 11 zu rotieren und schnappen in H₂ in derselben Richtung wie das angelegt Magnetfeld ein. Der Widerstand nimmt zu, bis die Vektoren einschnappen. Wenn das Magnetfeld weiter von H₂ bis H₃ zunimmt, setzen die magnetischen Vektoren in der dicken Schicht 13 ihre Rotation fort und schnappen bei H₃ in diesel be Richtung, wie das angewandte Magnetfeld, was bewirkt, daß der Widerstand der MRAM-Zelle 10 scharf abnimmt.

Wenn das Magnetfeld in einer negativen Richtung auf die MRAM-Zelle 10 angewandt wird, behalten die magnetischen Vektoren die gleiche Richtung wie das angelegte magnetische Feld. Der Widerstand bleibt auch auf einem niedrigen Niveau, da sowohl das Magnetfeld als auch die magnetischen Vektoren in die gleiche Richtung zeigen.

Fig. 6 ist eine Kurve 36, die die Antwortcharakteristika der MRAM-Zelle 10 zeigt, die eine logische "01" enthält, wo bei die Magnetvektoren in der dünnen Schicht 11 und der dic ken Schicht 13 in eine positive Richtung beziehungsweise in eine negative Richtung zeigen. Sogar wenn das positive Mag netfeld auf die MRAM-Zelle 10 von H₁ zu H₂ angewandt wird, bleibt der Widerstand auf einem hohen Niveau, da die Magnet vektoren in der dünnen Schicht 11 in die gleiche Richtung wie das aufgebrachte Magnetfeld zeigen. Wenn das Magnetfeld, das auf die MRAM-Zelle 10 angewandt wird, weiter erhöht wird, werden die magnetischen Vektoren in der dicken Schicht 13 bei H₃ in die Richtung des angelegten Magnetfeldes geschaltet, was bewirkt, daß der Widerstand der MRAM-Zelle 10 scharf ab nimmt.

Wenn das negative Magnetfeld von H₄ auf H₅ zunimmt, beginnen die magnetischen Vektoren in Schicht 11 zu rotieren und schnappen bei H₅ in dieselbe Richtung, wie das angelegte Mag netfeld. Der Widerstand nimmt ab, bis die magnetischen Vekto ren einschnappen und bleibt bei einem stärkeren Magnetfeld auf einem niedrigen Niveau, da die Magnetvektoren in beiden Schichten nun in die gleiche Richtung zeigen.

Fig. 7 ist ein Kurve 37, die die Antwortcharakteristika der MRAM-Zelle 10, die eine logische "10" enthält, zeigen, wobei die magnetischen Vektoren in der dünnen Schicht 11 und der dicken Schicht 13 in eine negative Richtung beziehungsweise in eine positive Richtung zeigen. Wenn das positive Magnet feld von H₁ auf H₂ zunimmt, beginnen die Magnetvektoren in Schicht 11 zu rotieren und schnappen bei H₂ in dieselbe Rich tung wie das aufgebrachte Magnetfeld ein. Der Widerstand nimmt ab, bis die Magnetvektoren einschnappen und bleibt beim stärkeren magnetischen Feld auf einem niedrigen Niveau, da die Magnetvektoren in beiden Schichten nun in dieselbe Rich tung zeigen.

Wenn das negative Magnetfeld auf die MRAM-Zelle 10 von H₄ auf H₅ angewandt wird, so bleibt der Widerstand auf einem hohen Niveau, da die magnetischen Vektoren in der dünnen Schicht 11 in die gleiche Richtung wie das angewandte Magnetfeld zeigen. Wenn das Magnetfeld, das auf die MRAM-Zelle 10 angewandt wird, weiter erhöht wird, werden die Magnetvektoren in der dicken Schicht 13 bei H₆ in dieselbe Richtung wie das ange wandte Magnetfeld geschaltet, was bewirkt, daß der Widerstand der MRAM-Zelle 10 stark abnimmt.

Fig. 8 ist eine Kurve 38, die die Antwortcharakteristika der MRAM-Zelle 10 zeigt, die eine logische "11" enthält. Die Richtungen der magnetischen Vektoren in beiden Schichten 11 und 13 sind dieselbe wie in Fig. 3. Wenn das Magnetfeld in einer positiven Richtung auf die MRAM-Zelle 10 angewandt wird, bleiben die magnetischen Vektoren in der gleichen Rich tung, wie das angewandte Magnetfeld. Der Widerstand bleibt auch auf einem niedrigen Niveau, da sowohl das Magnetfeld als auch die magnetischen Vektoren in dieselbe Richtung zeigen.

Wenn das Magnetfeld von H₄ auf H₅ in einer negativen Richtung zunimmt, beginnen die magnetischen Vektoren in Schicht 11 zu rotieren und schnappen bei H₅ in dieselbe Richtung wie das angewandte Magnetfeld. Der Widerstand nimmt zu, bis die Vek toren einschnappen. Wenn die Magnetfeldstärke weiter von H₅ auf H₆ zunimmt, setzen die magnetischen Vektoren in Schicht 13 ihre Rotation fort und schnappen bei H₆ in dieselbe Rich tung wie das angewandte magnetische Feld, was bewirkt, daß der Widerstand der MRAM-Zelle 10 stark abnimmt.

Die Antwortcharakteristik, die in den Fig. 5-8 gezeigt ist, hängt von den vier Zuständen ab, die in der MRAM-Zelle 10 enthalten sind.

Fig. 9 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens für das Erken nen der vier Zustände, die in der MRAM-Zelle 10 enthalten sind. Zu Beginn wird kein Wortstrom angewandt und ein Meß strom wird angewandt, um einen Widerstand zu messen, und dann wird die Schaltung automatisch auf Null gestellt (Block 101). Nachfolgend werden ein Magnetfeld H+ zwischen H₂ und H₃, das durch eine Kombination eines Meßstroms in einer (nicht ge zeigten) Meßleitung und eines Wortstroms in einer (nicht ge zeigten) Wortleitung erzeugt wird, an die MRAM-Zelle 10 ange legt (Block 102), und die Änderung des Widerstands durch die Anwendung des ersten Magnetfeldes wird gemessen (Block 103). Wenn der Widerstand zunimmt, verglichen mit dem Widerstand vor Anwendung des ersten Magnetfeldes, wie es in Fig. 5 ge zeigt ist, enthält die MRAM-Zelle 10 einen ersten Zustand (Block 104), der logisch "00" darstellt. Wenn der Widerstand abnimmt, wie das in Fig. 7 gezeigt ist, enthält die MRAM-Zelle 10 einen zweiten Zustand (Block 105), das ist eine lo gische "10". Wenn der Widerstand auf dem gleichen Niveau bleibt, wie in den Fig. 6 und 8 gezeigt, so geht das Ver fahren zu Block 106. In Block 106 wird ein zweites Magnetfeld H++, das über H₃ liegt, an die MRAM-Zelle 10 gelegt. Die Änderung des Widerstands durch die Anwendung des zweiten Mag netfeldes wird gemessen (Block 107). Wenn der magnetische Wi derstand abnimmt, wie das in Fig. 6 gezeigt ist, enthält die MRAM-Zelle 10 einen dritten Zustand (Block 108), der eine lo gische "01" darstellt. Wenn der magnetische Widerstand das gleiche Niveau hält, wie in Fig. 8 gezeigt, enthält die MRAM-Zelle 10 einen vierten Zustand (Block 109), der eine logische "11" darstellt.

Wenn die ersten und zweiten Magnetfelder auf die MRAM-Zelle 10 angewandt werden, wird die Richtung der magnetischen Vek toren in den dünnen und/oder dicken Schichten 11 und 13 voll ständig in die entgegengesetze Richtung geschaltet, was be deutet, daß Information, die in der MRAM-Zelle 10 enthalten ist, zerstört wird. Somit wird mit Ausnahme des vierten Zu standes ein Rückstellverfahren benötigt.

Wenn die ersten und zweiten Zustände in den Blöcken 104 und 105 erkannt werden, so werden die magnetischen Vektoren in der dünnen Schicht 11 in die entgegengesetzte Richtung umge schaltet. Das negative Magnetfeld H- zwischen H₆ und H₅ wird angelegt, um die Richtung der magnetischen Vektoren in der dünnen Schicht 11 in die ursprüngliche Richtung umzuschalten (Blöcke 110, 111). Wenn in Block 108 der dritte Zustand er kannt wird, so werden die magnetischen Vektoren in der dicken Schicht 13 in die entgegengesetzte Richtung umgeschaltet. Deswegen wird ein Magnetfeld H--, das niedriger als H₆ ist, angelegt, gefolgt vom Magnetfeld H+ zwischen H₂ bis H₃, um die Richtung der Magnetvektoren in die ursprüngliche Richtung zu schalten (Block 112). Dieser Prozeß schaltet jedoch die magnetischen Vektoren in der dünnen Schicht 11 in die gleiche Richtung wie in der dicken Schicht 13. Ein Magnetfeld H+ zwi schen H₂ bis H₃ wird weiterhin angelegt, um die magnetischen Vektoren in der dünnen Schicht 11 in ihre ursprüngliche Rich tung zu schalten.

Die Fig. 10 zeigt ein Flußdiagramm eines anderen Verfahrens für das Erkennen der vier in der MRAM-Zelle 10 enthaltenden Zustände. Dieses Erkennungsverfahren unterscheidet sich vom vorherigen Verfahren durch ein zweites Magnetfeld und ein Rückstellverfahren. Zu Beginn wird kein Wortstrom angelegt, und ein Meßstrom wird angelegt, um einen Widerstand zu mes sen, und die Schaltung wird automatisch auf Null gesetzt (Block 201). Nachfolgend wird ein erstes Magnetfeld H+ zwi schen H₂ und H₃ an die MRAM-Zelle 10 (Block 202) angelegt. Die Änderung des Widerstands durch das Anlegen des ersten Magnetfeldes H+ wird gemessen (Block 203). Wenn der Wider stand zunimmt, verglichen mit dem Widerstand vor Anlegen des ersten Magnetfeldes, wie in Fig. 5 gezeigt, enthält die MRAM-Zelle 10 einen ersten Zustand (Block 204), der logisch "00" darstellt. Wenn der magnetische Widerstand abnimmt, wie in Fig. 7 gezeigt, enthält die MRAM-Zelle 10 einen zweiten Zu stand (Block 205), der eine logische "10" darstellt. Wenn der magnetische Widerstand das gleiche Niveau behält, wie in den Fig. 6 und 8 gezeigt, geht das Verfahren zu Block 206. In Block 206 wird ein zweites Magnetfeld H-, das zwischen H₆ bis H₅ liegt, an die MRAM-Zelle 10 angelegt (Block 206). Der Wechsel des Widerstandes durch das Anlegen des zweiten Mag netfeldes wird gemessen (Block 207). Wenn der Widerstand ab nimmt, wie das in Fig. 6 gezeigt ist, so enthält die MRAM-Zelle 10 einen dritten Zustand (Block 208), der eine logische "01" darstellt. Wenn der Widerstand zunimmt, wie in Fig. 8 gezeigt, enthält die MRAM-Zelle 10 einen vierten Zustand (Block 209), der eine logische "11" darstellt.

Wenn die ersten und zweiten Zustände in den Blöcken 204 und 205 erkannt werden, werden die magnetischen Vektoren in der dünnen Schicht 11 in die entgegengesetzte Richtung geschal tet. Deshalb wird ein negatives magnetisches Feld H- zwischen H₆ bis H₅ angelegt, um die Richtung der magnetischen Vektoren in der dünnen Schicht 11 in ihre ursprüngliche Richtung umzu schalten (Blöcke 210, 211). Wenn die dritten und vierten Zu stände in den Blöcken 208 und 209 erkannt werden, werden die magnetischen Vektoren in der dünnen Schicht 11 in die entge gengesetzte Richtung geschaltet. Somit wird ein magnetisches Feld H+ zwischen H₂ bis H₃ angelegt, um die Richtung der magnetischen Vektoren in der dünnen Schicht 11 in die ur sprüngliche Richtung (Block 212) zu schalten.

Fig. 11 zeigt ein Flußdiagramm eines nochmals anderen Verfah rens zum Erkennen der vier Zustände, die in der MRAM-Zelle 10 enthalten sind. Das in Fig. 11 gezeigte Verfahren ist das gleiche wie das Verfahren in Fig. 10 mit der Ausnahme, daß ein Magnetfeld H- zwischen H₆ bis H₅ in den Blöcken 302 und 303 direkt nach dem Entscheidungsblock 301 angelegt wird, und kein Rückstellverfahren nach den Entscheidungsblöcken 304 und 305 ausgeführt wird, da die magnetischen Vektoren in der dün nen Schicht 11 in den Blöcken 302 und 303 in die anfängliche Richtung geschnappt sind.

Eine Tabelle, die nachfolgend dargestellt ist, zeigt ein Ver fahren für das Speichern der vier Zustände in der MRAM-Zelle 10. Eine erste und eine zweite Spalte in der Tabelle zeigt die anfänglichen Zustände-beziehungsweise die Zustände, die in der MRAM-Zelle 10 gespeichert werden sollen. Eine dritte und vierte Spalte zeigt ein erstes Magnetfeld und ein zweites Magnetfeld, die jeweils an die MRAM-Zelle 10 angelegt werden sollen. Die Symbole "H+", "H++", "H-" und "H--" zeigen eine Stärke und eine Richtung eines Magnetfeldes an, das an die MRAM-Zelle 10 angelegt wird. H+ und H++ zeigen ein positives Magnetfeld zwischen H₂ bis H₃ beziehungsweise über H₃. H- und H-- stellen ein negatives Magnetfeld zwischen H₆ bis H₅ be ziehungsweise über H₆ dar. Das Symbol "__" zeigt, daß kein weiterer Prozeß benötigt wird.

Tabelle

Verfahren zum Einschreiben der vier Zustände in die Zelle

In der Tabelle wird, wenn eine Zustand "00" gespeichert wer den soll, ein Magnetfeld H-- angelegt. Wenn ein Zustand "01" gespeichert werden soll, wird ein erstes Magnetfeld H-- unab hängig von den anfänglichen Zuständen zuerst an die MRAM-Zelle 10 gelegt. Dann wird ein zweites Magnetfeld H+ ange legt, da das Magnetfeld H-- bewirkt, daß die magnetischen Vektoren sowohl in der dünnen Schicht 11 als auch in der dic ken Schicht 13 umgeschaltet werden. Wenn ein Zustand "10" ge speichert werden soll, so wird ein erstes Magnetfeld H++ un abhängig von den anfänglichen Zuständen zuerst an die MRAM-Zelle 10 gelegt. Dann wird ein zweites Magnetfeld H- ange legt. Wenn ein Zustand "11" gespeichert werden soll, wird ein erstes Magnetfeld H++ angelegt.

Bis hierher sollte erkennbar geworden sein, daß ein neues Verfahren zum Erkennen und Schreiben der Zustände in eine MRAM-Zelle 10 bereitgestellt wurde. Die MRAM-Zelle 10, die zwei Schichten unterschiedlicher Dicke aufweist, kann zwei Bits von Information enthalten, wobei jede Schicht ein Bit aufweist. Dieses neue Verfahren kann zwei Bits erkennen und in die MRAM-Zelle 10 zur selben Zeit speichern, so daß die Erkennungs- und Speicherzykluszeiten vermindert werden und die Dichte des MRAM zunimmt.

Claims

1. Verfahren zur Erkennung eines ersten Zustandes, eines zweiten Zustandes, eines dritten Zustandes und eines vierten Zustandes, die in einer magnetischen Speicherzelle (10) mit wahlfreiem Zugriff (MRAM), die zwei magnetische Schichten (11, 13), die zwei unterschiedliche magnetische Schalt schwellwerte aufweisen, die durch eine Leitschicht (12) ge trennt sind, aufweist, gespeichert sind, umfassend folgende Schritte:
Anlegen eines ersten Magnetfeldes (102) an die MRAM-Zelle (10);
Messen des ersten Zustandes (104) oder des zweiten Zu standes (105) in der MRAM-Zelle (10) in Erwiderung auf eine Änderung des Widerstandes, die durch das erste Magnetfeld verursacht wird;
Anlegen eines zweiten anderen Magnetfeldes (107) an die MRAM-Zelle (10); und
Messen des dritten Zustandes (108) oder des vierten Zu standes (109) in der MRAM-Zelle (10) in Erwiderung auf eine Änderung des Widerstandes, die durch das zweite magnetische Feld verursacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Wiederherstellen eines ursprünglichen Zustandes (110, 111, 112) in der MRAM-Zelle (10), in der sich der Widerstand geändert hat, umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der ursprüngliche Zustand durch Anlegen eines Magnetfeldes (110, 111), das in seiner Richtung dem ersten Magnetfeld entgegengesetzt ist und im we sentlichen die gleiche Stärke wie das erste Magnetfeld hat, wieder hergestellt wird, wenn der erste oder der zweite Zu stand gemessen wird, wobei der ursprüngliche -Zustand durch das zweite unterschiedliche Magnetfeld wieder hergestellt wird, und dann durch das Anlegen eines Magnetfeldes, das in seiner Richtung dem zweiten Magnetfeld entgegengesetzt ist, und das im wesentlichen die gleiche Stärke wie das erste Mag netfeld hat, wenn der dritte oder vierte Zustand gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Zustand gemes sen wird (104), wenn der Widerstand in der MRAM-Zelle in Er widerung auf das erste Magnetfeld zunimmt, der zweite Zustand gemessen wird (105), wenn der Widerstand in der MRAM-Zelle in Erwiderung auf das erste Magnetfeld abnimmt, der dritte Zu stand gemessen wird (108), wenn der Widerstand in der MRAM-Zelle in Erwiderung auf das zweite Magnetfeld zunimmt, und der vierte Zustand gemessen wird (109), wenn der Widerstand in der MRAM-Zelle sich nicht ändert.

5. Verfahren zur Erkennung eines ersten Zustandes, eines zweiten Zustandes, eines dritten Zustandes und eines vierten Zustandes, die in einer magnetischen Speicherzelle (10) mit wahlfreiem Zugriff (MRAM), die zwei magnetische Schichten (11, 13), die verschiedene Dicken aufweisen, die durch eine Leitschicht (12) getrennt sind, aufweist, gespeichert sind, folgende Schritte umfassend:
Anlegen eines ersten Magnetfeldes (202) an die MRAM-Zelle (10);
Messen des ersten Zustandes (204) oder des zweiten Zu standes (205) in der MRAM-Zelle (10) in Erwiderung auf eine Änderung des Widerstandes, die durch das erste Magnetfeld verursacht wird;
Anlegen eines zweiten anderen Magnetfeldes (207) an die MRAM-Zelle (10), das in der Richtung dem ersten Magnetfeld entgegengesetzt ist und das im wesentlichen die gleiche Stärke wie das erste Magnetfeld aufweist; und
Messen des dritten Zustandes (208) oder des vierten Zu standes (209) in der MRAM-Zelle (10) in Erwiderung auf eine Änderung des Widerstandes, die durch das zweite magnetische Feld verursacht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, das ferner das Wiederherstellen eines ursprünglichen Zustandes (210, 211, 212) in der MRAM-Zelle, in der sich der Widerstand geändert hat, umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der ursprüngliche Zustand durch Anlegen eines Magnetfeldes (210, 211), das in seiner Richtung dem ersten Magnetfeld entgegengesetzt ist und im we sentlichen die gleiche Stärke wie das erste Magnetfeld hat, wieder hergestellt wird, wenn der erste oder der zweite Zu stand gemessen wird, und der ursprüngliche Zustand durch das Anlegen des ersten Magnetfeldes (212) wieder hergestellt wird, wenn der dritte oder vierte Zustand gemessen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Zustand gemes sen wird (204), wenn der Widerstand in der MRAM-Zelle in Er widerung auf das erste Magnetfeld zunimmt, der zweite Zustand gemessen wird (205), wenn der Widerstand in der MRAM-Zelle in Erwiderung auf das erste Magnetfeld abnimmt, der dritte Zu stand gemessen wird (208), wenn der Widerstand in der MRAM-Zelle in Erwiderung auf das zweite Magnetfeld abnimmt, und der vierte Zustand gemessen wird (209), wenn der Widerstand in der MRAM-Zelle in Erwiderung auf das zweite Magnetfeld zu nimmt.

9. Verfahren zur Speicherung eines ersten Zustandes, eines zweiten Zustandes, eines dritten Zustandes und eines vierten Zustandes in einer magnetischen Speicherzelle (10) mit wahl freiem Zugriff (MRAM), die zwei magnetische Schichten (11, 13), die verschiedene Dicken aufweisen, die durch eine Leit schicht (12) getrennt sind, aufweist, folgende Schritte um fassend:
Schalten von magnetischen Vektoren in beiden Schichten durch das Anlegen eines ersten Magnetfeldes an die Zelle, wenn der erste Zustand und der vierte Zustand in der Zelle gespeichert werden; und
Schalten der magnetischen Vektoren in beiden Schichten durch das Anlegen des ersten Magnetfeldes und dann durch ein Anlegen eines zweiten Magnetfeldes an die Zelle, wenn der zweite und der dritte Zustand in der Zelle gespeichert wer den.