DE60214374T2 - Magnetoresistiver Speicher mit weichmagnetischen Referenzschichte - Google Patents

Magnetoresistiver Speicher mit weichmagnetischen Referenzschichte Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff und Speicherzellen, die jeweils ein magnetoresistives Element nutzen, das Daten durch einen magnetoresistiven Effekt speichert.
  • "Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff" (welche als MRAM bezeichnet werden) ist der generelle Name von Festkörperspeichern, welche unter Ausnutzung der Magnetisierungsrichtung eines als Informationsaufzeichnungsträger verwendeten ferromagnetischen Körpers aufgezeichnete Information je nach Bedarf überschreiben, halten und lesen können.
  • Generell besitzen die Speicherzellen des MRAM eine Struktur, in der eine Vielzahl von ferromagnetischen Körpern übereinander gestapelt ist. Die Informationsaufzeichnung wird durch Zuordnung von Einheiten binärer Information "1" bzw. "0" zu parallelen und anti-parallelen Zuständen, d.h, den relativen Zuständen der Magnetisierung einer Vielzahl von die Speicherzellen bildenden ferromagnetischen Körpern durchgeführt. Wird Aufzeichnungsinformation geschrieben, so wird die Magnetisierungsrichtung eines ferromagnetischen Körpers der jeweiligen Zelle durch ein Magnetfeld invertiert, das durch Einspeisung von elektrischen Strömen in Schreibleitungen erzeugt wird, welche sich kreuzend angeordnet sind. Das MRAM ist ein nicht-flüchtiger Speicher, welcher im Prinzip während des Haltens einer Aufzeichnung keine Leistung verbraucht und die Aufzeichnung selbst nach Leistungsabschaltung gehalten wird. Die aufgezeichnete Information wird unter Ausnutzung des sog. magnetoresistiven Effektes ausgelesen, wobei der elektrische Widerstand jeder Speicherzelle sich als Funktion des Winkels zwischen der Magnetisierungsrichtung eines ferromagnetischen Körpers in jeder Speicherzelle und dem Lesestrom oder dem Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen einer Vielzahl von ferromagnetischen Schichten ändert.
  • Das MRAM besitzt viele funktionelle Vorteile, wie sie in den folgenden Punkten (1) bis (3) erläutert sind, im Vergleich zu konventionellen Halbleiterspeichern unter Verwendung eines dielektrischen Körpers. (1) Der Speicher ist vollständig nicht-flüchtig und macht es möglich, dass die Anzahl von Überschreibungsvorgängen größer als 1015 ist. (2) Der Speicher macht ein nicht zerstörendes Auslesen möglich und erfordert keine Auffrischoperation, wodurch die Lesezyklen verkürzt werden. (3) Im Vergleich zu Speicherzellen mit Ladungsspeicherung besitzt er eine große Strahlungstoleranz. Das MRAM besitzt im Wesentlichen den gleichen Integrationsgrad pro Einheitsfläche und die im Wesentlichen gleichen Schreib- und Lesezeiten, wie ein DRAM. Es ist daher zu erwarten, dass das DRAM als externe Aufzeichnungsanordnung für tragbare Anlagen, Hybrid-LSI's und Primärspeicher für Personalcomputer Verwendung findet, die sich das spezielle Merkmal der Nichtflüchtigkeit zu nutze machen.
  • Gegenwärtig werden Durchführbarkeitsstudien hinsichtlich der praktischen Verwendung von MRAM's durchgeführt, in denen die Speicherzellen als magnetoresistives Element ein MTJ (Magnetischer Tunnelübergang)-Element verwenden, das einen ferromagnetischen Tunnelübergang bildet (siehe beispielsweise ISSCC 2000 Digest Paper TA7.2). Das MTJ-Element wird hauptsächlich durch einen dreischichtigen Film, d.h., ferromagnetische Schicht/isolierende Schicht/ferromagnetische Schicht gebildet, in dem ein elektrischer Strom durch Tunnelung durch die isolierende Schicht fließt. Der elektrische Widerstandswert des Übergangs ändert sich proportional zum Kosinus der relativen Magnetisierungswinkel der beiden ferromagnetischen Metallschichten. Der Widerstandswert wird maximal, wenn die Magnetisierungsrichtungen anti-parallel zueinander ausgerichtet sind. Dies wird als TMR (tunnelnd magnetoresistiv)-Effekt bezeichnet. Beispielsweise im Fall von NiFe/Co/Al2O3/Co/NiFe wird bei einem kleinen Magnetfeld von 50 Oe oder weniger ein magnetoresistiver Änderungsbetrag von mehr als 25 % beobachtet.
  • Als Struktur des MTJ-Elementes ist ein Remanenzdifferenztyp bekannt, welcher die Differenz der Remanenz zwischen zwei ferromagnetischen Körpern zum Halten von Daten nutzt. Es ist weiterhin ein sog. Spinventilstruktur-Typ bekannt, in dem ein anti-ferromagnetischer Körper benachbart zu einem von zwei ferromagnetischen Körpern angeordnet ist, um seine Magnetisierungsrichtung zu fixieren, wobei die Magnetfeldempfindlickeit verbessert oder der elektrische Schreibstrom reduziert wird (siehe beispielsweise Jpn. J. Appl. Phys., 36, L200 (1997)).
  • Um jedoch MRAM's mit einem Integrationsgrad der Klasse Gb zu entwickeln, bleiben mehrere Probleme zu lösen. Eines dieser Probleme besteht darin, dass eine Änderung des Übergangswiderstandes aufgrund der Änderung in der Bearbeitung von MTJ-Elementen im Vergleich zu TMR-Effekt nicht vernachlässigbar ist, und dass das Lesen sehr schwierig ist. Zur Lösung dieses Problems kann eine Selbstreferenz-Leseoperation verwendet werden, wofür ein Beispiel nachfolgend beschrieben wird.
  • Zunächst wird ein Wert einer elektrischen Eigenschaft auf der Basis von gespeicherten Daten in einer ausgewählten Speicherzelle in einer Lesezieladresse detektiert und in einem Datenpuffer gespeichert. Sodann wird ein "1"-Datum in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben und aus dieser ausgelesen, so dass ein Wert der elektrischen Eigenschaft auf der Basis des "1"-Datums detektiert und in einem "1"-Datenpuffer gespeichert wird. Sodann wird ein "0"-Datum in die ausgewählte Speicherzelle eingeschrieben und aus dieser ausgelesen, so dass ein Wert der elektrischen Eigenschaft auf der Basis des "0"-Datums detektiert und in einem "1"-Datenpuffer gespeichert wird. Schließlich wird der Wert der elektrischen Eigenschaft auf der Basis der gespeicherten Daten mit den Werten der elektrischen Eigenschaft auf der Basis des "1"-Datums und des "0"-Datums verglichen, um den Wert der gespeicherten Daten zu bestimmen.
  • Wie oben beschrieben, ist die Selbstreferenz-Leseoperation grundsätzlich eine destruktive Auslesung. Ist das gespeicherte Datum beispielsweise eine "1", so ist es daher notwendig, das "1"-Datum nach der Bestimmung des Wertes der gespeicherten Daten neu einzuschreiben. Darüber hinaus sind komplizierte Schritte zur Vervollständigung des Auslesens notwendig, wodurch die Leseoperationsgeschwindigkeit reduziert und die Realisierung eines sehr schnellen Speichers verhindert wird. Darüber hinaus ist diese Operation mit zwei Schreibvorgängen verbunden, wodurch der Leistungsverbrauch beim Lesen erhöht wird.
  • Es ist daher bevorzugt, ein MRAM zu schaffen, bei dem das Auslesen durch Reduzierung der Anzahl von Schritten im Vergleich zur Selbstreferenz-Leseoperation und durch nicht destruktives Lesen mit einer kleineren Anzahl von Fehlern durchgeführt werden kann.
  • Ein Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US 6 134 138 bekannt.
  • In der WO 2004/012197, welche gemäß Art. 54(3) zitiert wird, ist ein Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff beschrieben, welcher eine magnetoresistive Tunnelübergangs-Speicherzelle umfasst, welche ihrerseits eine magnetoresistive Tunnel-Barriere, eine magnetische Bit-Zone, eine magnetische Referenzzone sowie Stromleitungen zur Induzierung eines Magnetfeldes in der Bit-Zone und der magnetischen Referenzzone umfasst.
  • Die WO 2004/012197 beschreibt einen Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff, umfassend:
    ein Speicherzellenfeld, das in in einem Matrixformat angeordneten Adressen vorgesehene Speicherzellen enthält, wobei die Speicherzellen jeweils ein magnetoresistives Element als Speicherelement enthalten;
    Wortleitungen, die jeweils mit Zeilen des Speicherzellenfeldes verbunden sind;
    Bitleitungen, die jeweils mit Spalten des Speicherzellenfeldes verbunden ist;
    einen Zeilendecoder zur Auswahl der Wortleitungen; und
    einen Spaltendecoder zur Auswahl der Bitleitungen,
    worin das magnetoresistive Element eine Aufzeichnungsschicht und eine Referenzschicht besitzt, zwischen denen ein Tunnel-Barriere-Film angeordnet ist, und das zur Speicherung von Daten in der Aufzeichnungsschicht dient;
    worin eine elektrische Treiberleitung zur selektiven Aufprägung eines Magnetfeldes auf das magnetoresistive Element dient und wenigstens eine Wortleitung und eine Bitleitung umfasst;
    worin die Aufzeichnungsschicht eine erste ferromagnetische Schicht umfasst, während die Referenzschicht eine zweite ferromagnetische Schicht umfasst, und die Remanenz der Erhaltung der Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht kleiner als die Remanenz der Erhaltung einer Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht gegen ein durch die elektrische Treiberleitung auf das magnetoresistive Element aufgeprägtes Magnetfeld ist;
    worin die Referenzschicht so ausgebildet ist, dass die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht ohne Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht in einer spezifischen Richtung orientiert ist, wenn in die elektrische Treiberleitung kein elektrischer Strom eingespeist wird;
    worin bei Auslesung von gespeicherten Daten in der Aufzeichnungsschicht einer ausgewählten Speicherzelle im Speicherzellenfeld ein Wert der gespeicherten Daten durch Ausführung eines Lesevorgangs bestimmt wird, während ein Magnetfeld zur Auslesung auf das magnetoresistive Element durch wenigstens eine Wortleitung und wenigstens eine Bitleitung aufgeprägt wird und das Magnetfeld zur Auslesung eine Änderung einer Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht der ausgewählten Speicherzelle ohne Zerstören der gespeicherten Daten auslesen kann; und
    worin die Referenzschicht eine Mehrschichtstruktur einschließlich der zweiten ferromagnetischen Schicht und einer anti-ferromagnetischen Schicht ist.
  • In der EP-A-0 875 901 ist ein magnetisches Speicherelement beschrieben, das eine erste in einer Orientierung der Magnetisierung längs einer Inebenenrichtung magnetisierte magnetische Schicht, eine zweite in einer Orientierung der Magnetisierung parallel oder anti-parallel zur Orientierung der Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht magnetisierte magnetische Schicht, wobei die zweite magnetische Schicht eine größere Koerzitivkraft als die erste magnetische Schicht besitzt, eine unmagnetische Schicht zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht vorgesehen ist, und eine dritte magnetische Schicht zur magnetischen Kopplung der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht umfasst, um einen geschlossenen magnetischen Kreis mit der ersten und zweiten magnetischen Schicht zu bilden.
  • In dem Artikel "Magnetic tunnelling applied to memory" von Daughton, XP-000702683 sind magnetoresistive Speicher mit wahlfreiem Zugriff unter Verwendung eines magnetoresistiven Großmaterials beschrieben.
  • In der WO 03/034436 ist eine Halbleiterspeichereinheit im Speicherfeld beschrieben, dessen Speicherelemente und genauer Speicherzellen mit magnetoresistiven Effekt durch eine hartmagnetische Speicherschicht und eine weichmagnetische Sensorschicht charakterisiert sind, wobei die leichte Magnetisierungsachse gemeinschaftlich ist.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff vorgesehen, umfassend: ein Speicherzellenfeld, das Speicherzellen enthält, die jeweils in in einem Matrixformat angeordneten Adressen angeordnet sind und die Speicherzellen jeweils ein magnetoresistives Element als Speicherelement enthalten; Wortleitungen, die jeweils mit Zeilen des Speicherzellenfeldes verbunden sind; Bitleitungen, die jeweils mit Spalten des Speicherzellenfeldes verbunden sind; einen Zeilendecoder zur Auswahl der Wortleitungen; und einen Spaltendecoder zur Auswahl der Bitleitungen, worin das magnetoresistive Element eine Aufzeichnungsschicht und eine Referenzschicht besitzt, zwischen denen ein Tunnel-Barriere-Film zur Speicherung von Daten in der Aufzeichnungsschicht angeordnet ist, worin eine elektrische Treiberleitung zur selektiven Aufprägung eines Magnetfeldes auf das magnetoresistive Element ausgebildet ist, und wenigstens eine Wortleitung und eine Bitleitung umfasst; worin die Aufzeichnungsschicht eine erste ferromagnetische Schicht umfasst, während die Referenzschicht eine zweite ferromagnetische Schicht umfasst und die Remanenz der Erhaltung einer Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht kleiner als die Remanenz der Erhaltung einer Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht gegen ein auf das magnetoresistive Element durch die elektrische Treiberleitung aufgeprägtes Magnetfeld ist; worin die Referenzschicht so angeordnet ist, dass die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht ohne Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht in einer spezifischen Richtung orientiert ist, wenn kein elektrischer Strom in die elektrische Treiberleitung eingespeist wird; worin bei Auslesung von gespeicherten Daten in der Aufzeichnungsschicht einer ausgewählten Speicherzelle im Speicherzellenfeld ein Wert der gespeicherten Daten durch Ausführung eines Lesevorgangs bestimmt wird, während durch wenigstens eine Wortleitung und wenigstens eine Bitleitung ein Magnetfeld zur Auslesung auf das magnetoresistive Element aufgeprägt wird und das Magnetfeld zur Auslesung eine Änderung einer Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht der ausgewählten Speicherzelle ohne Zerstörung der gespeicherten Daten ändern kann; dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschicht eine Mehrschichtstruktur einschließlich der zweiten ferromagnetischen Schicht und einer anti-ferromagnetischen Schicht umfasst, und dass die leichte Magnetisierungsachsenrichtungen der ersten und zweiten ferromagnetischen Schicht und eine Magnetisierungsrichtung der anti-ferromagnetischen Schicht senkrecht auf einer Richtung stehen, in der die elektrischen Treiberleitung verläuft.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 ein Blockschaltbild eines MRAM gemäß einer ersten Ausführungsform, welche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, jedoch zu deren Verständnis nützlich ist;
  • 2 eine ebene Ansicht eines Teils entsprechend zwei Speicherzellen des MRAM gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 3 einen Schnitt in der Ebene III-III in 2;
  • 4 einen Schnitt in einer Ebene IV-IV in 2;
  • 5 eine geschnittene Seitenansicht, welche das MTJ-Element von Speicherzellen eines MRAM gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 6A eine ebene Layout-Ansicht, welche das MTJ-Element nach 5 zeigt,
  • 6B eine ebene Layout-Ansicht von dessen Abwandlung zeigt;
  • 7 eine geschnittene Seitenansicht, welche das MTJ-Element von Speicherzellen eines MRAM gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt, welche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 8 eine ebene Layout-Ansicht, welche das MTJ-Element nach 7 zeigt.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. In der folgenden Beschreibung sind Gestaltungselemente mit im Wesentlichen der gleichen Funktion und der gleichen Ausführungsform mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei eine sich wiederholende Beschreibung lediglich nötigenfalls erfolgt.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das ein MRAM gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt, welche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, jedoch zu deren Verständnis zweckmäßig ist. Dieses MRAM besitzt eine Synchronismus-Speicherchipkonfiguration.
  • Das MRAM besitzt ein Speicherzellenfeld 21, das durch Speicherzellen 24 gebildet wird, welche jeweils in in einem Matrixformat angeordneten Adressen vorgesehen sind. Die Speicherzeilen 24 enthalten jeweils ein magnetoresistives Element (MTJ-Element) als Speicherelement. Wortleitungen 22 sind mit Zeilen des Speicherzellenfeldes 21 verbunden, während Bitleitungen 23 mit Spalten des Speicherzellenfeldes 21 verbunden sind. In 1 repräsentieren die Wortleitungen 22 aus Übersichtlichkeitsgründen sowohl die Schreibwortleitungen als auch die Lesewortleitungen.
  • Ein Zeilenadresspuffer 11, Zeilendecoder 13 und 15 sowie Zeilentreiber 14 und 16 dienen zur Auswahl der Wortleitungen 22. Ein Spaltenadresspuffer 12, ein Spaltendecoder 17 und ein Spaltentreiber 18 dienen zur Auswahl der Bitleitungen 23. Zur Auslesung von gespeicherten Daten in einer nachfolgend zu beschreibenden Weise ist eine Leseschaltung 19 mit den Bitleitungen 23 verbunden. Diese Leseschaltung 19 enthält einen A/D-Umsetzer 25, einen ersten Datenpuffer 26, einen zweiten Datenpuffer 27, einen Komparator 29, usw.
  • Der Zeilenadresspuffer 11 und der Spaltenadresspuffer 12 sind mit einer Steueranordnung CS1 zur Erzeugung von Adresssignalen, Datensignalen usw. verbunden. Die Steueranordnung CS1 ist gemeinsam mit dem Speicherzellenfeld 21 auf einem Substrat vorgesehen oder als von dem Speicherzellenfeld 21 getrennte Anordnung ausgebildet. Adresssignale von der Steueranordnung CS1 werden im Zeilenadresspuffer 11 und im Spaltenadresspuffer 12 zeitweise zwischengespeichert.
  • Beim Auslesen werden eine Zeile und eine Spalte durch den Zeilendecoder 13 und den Spaltendecoder 17 auf der Basis der zwischengespeicherten Adresssignale ausgewählt. Beim Einschreiben wird in eine Bitleitung 23 mit einer einer ausgewählten Speicherzelle 24 entsprechenden Adresse ein elektrischer Strom eingespeist und gleichzeitig ein elektrischer Strom in eine Wortleitung 22 mit einer einer ausgewählten Speicherzelle 24 entsprechenden Adresse vom rechten und linken Zeilentreiber 16 und 14 als Funktion der einzuschreibenden Information eingespeist.
  • Im MRAM gemäß dieser Ausführungsform werden die folgenden Schritte zur Auslesung von gespeicherten Daten in einer ausgewählten Speicherzelle im Zellenfeld durchgeführt. Diese Leseoperation ist aufgrund der Struktur der jeweils ein MTJ-Element enthaltenden Speicherzelle 24 möglich, was nachfolgend noch beschrieben wird.
  • Zunächst wird die Auslesung aus einer ausgewählten Speicherzelle durchgeführt, ohne dass dem MTJ-Element ein Magnetfeld aufgeprägt wird. Dabei wird ein primitiver Wert einer elektrischen Eigenschaft (typischerweise Widerstand) der ausgewählten Speicherzelle detektiert und es werden die Daten des Primitivwertes im ersten Datenpuffer 26 gespeichert. Sodann wird die Auslesung aus der ausgewählten Speicherzelle durchgeführt, während auf ihr MTJ-Element ein Magnetfeld zur Auslesung durch wenigstens eine der entsprechenden Wortleitung 22 und der entsprechenden Bitleitung 23 aufgeprägt wird, welche als elektrische Treiberleitungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes dienen. Dabei wird ein Referenzwert der elektrischen Eigenschaft der ausgewählten Speicherzelle detektiert und es werden die Daten des Referenzwertes im zweiten Datenpuffer 27 gespeichert. Sodann werden der primitive Wert und der Referenzwert, welche im ersten und zweiten Datenpuffer 26 und 27 gespeichert sind, durch den Komparator 29 miteinander verglichen, um zu bestimmen, ob der Wert der gespeicherten Daten beispielsweise "1" oder "0" ist.
  • 2 zeigt eine ebene Ansicht eines zwei Speicherzellen entsprechenden Teils des MRAM gemäß der ersten Ausführungsform. Die 3 und 4 sind Schnittansichten in einer Ebene III-III bzw. in einer Ebene IV-IV in 2.
  • Auf einem Halbleitersubstrat 40 ist ein MOS-Transistor 41 ausgebildet, der als Schaltelement für die Auslesung dient. Der MOS-Transistor 41 besitzt eine Source-Diffusionszone 42 und eine Drain-Diffusionszone 43 an der Oberseite des Substrats 40, während eine Gate-Elektrode 44 auf einer Kanalzone an der Oberfläche des Substrats 40 angeordnet ist, wobei zwischen der Gate-Elektrode und dem Substrat ein Gate-Isolationsfilm vorgesehen ist. Die Gate-Elektrode 44 wird durch einen Teil einer Lesewortleitung (durch eine Wortleitung 22 in 1 repräsentiert) gebildet, welche in 3 senkrecht zur Zeichenebene verläuft.
  • Die Source-Diffusionszone 42 ist über eine Steckverbindung 45 mit einer Lese-Source-Leitung 46 verbunden.
  • Andererseits ist die Drain-Diffusionszone 43 des MOS-Transistors 41 über Steckverbindungen 47 und 49 sowie Verbindungszonen 48, 50 und 51 mit einem MTJ-Element 35 verbunden. Das MTJ-Element 35 ist zwischen der Verbindungszone 51 und einer Bitleitung 57 (durch eine Bitleitung 23 in 1 repräsentiert) angeordnet, welche eine der elektrischen Treiberleitungen für das Einschreiben ist.
  • Direkt unterhalb des MTJ-Elementes 35 ist eine Schreib-Wort-Leitung 56 (durch eine Wortleitung 22 in 1 repräsentiert) angeordnet, wobei es sich um die andere der elektrischen Treiberleitungen für das Einschreiben handelt und wobei dazwischen ein Isolationsfilm vorgesehen ist. Die Schreibwortleitung 56 verläuft in einer Richtung (Zeilenrichtung) senkrecht zu einer Richtung (Spaltenrichtung), in welcher die Bitleitung 57 verläuft. In den 3 und 4 bezeichnen Bezugszeichen 54 und 55 einen isolierenden Zwischenfilm bzw. einen isolierenden Anordnungsisolationsfilm.
  • Die Schreib-Wort-Leitung 56 und die Bitleitung 57 verlaufen zur Bildung einer Kreuzmatrix senkrecht zueinander, wie dies in 2 dargestellt ist. Am Schnittpunkt jeder Schreib-Wort-Leitung 56 und jeder Bitleitung 57 ist ein MTJ-Element 35 vorgesehen, wobei die Bitleitungen 57 jeweils einer Speicherzelle 24 gemäß 1 entsprechen. Die Daten werden in das MTJ-Element 35 durch ein Magnetfeld eingeschrieben, das durch einen durch die Schreib-Wort-Leitung 57 und einen durch die Bitleitung 57 fließenden elektrischen Strom erzeugt wird. In 3 ist die Bitleitung 27 oberhalb der Schreib-Wort-Leitung 56 angeordnet, wobei auch eine umgekehrte Struktur möglich ist.
  • Die MTJ-Elemente 35 besitzen jeweils eine Aufzeichnungsschicht 37 und eine Referenzschicht 38, zwischen denen ein Tunnel-Barriere-Film 36 angeordnet ist, wobei Daten in der Aufzeichnungsschicht 37 gespeichert werden. Die Aufzeichnungsschichten 37 und die Referenzschichten 38 werden durch eine ferromagnetische Schicht gebildet, die aus einem einschichtigen oder mehrschichtigen Film bestehen, worin wenigstens eine Schicht aus einer Fe, Ni und Co enthaltenden ferromagnetischen Legierung hergestellt ist. Das MTJ-Element 35 ist so ausgebildet, dass die Remanenz der Erhaltung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Referenzschicht 38 kleiner als die Remanenz der Erhaltung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 37 gegen ein auf das MTJ-Element 35 aufgeprägten Magnetfeld ist, das beispielsweise durch die Schreib-Wort-Leitung (elektrische Treiberleitung) 56 erzeugt wird. In dieser Hinsicht bedeutet "Remanenz der Erhaltung einer Magnetisierungsrichtung" das minimale Magnetfeld, das zur Invertierung der Magnetisierungsrichtung notwendig ist.
  • An Stelle von "Remanenz" kann auch "Koerzitivkraft" verwendet werden.
  • Mit anderen Worten ist der minimale elektrische Stromwert ein Absolutwert des in die Schreib-Wort-Leitung 56 eingespeisten elektrischen Stroms, der zur Invertierung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Referenzschicht 38 notwendig und kleiner ist, als der elektrische Stromwert des Absolutwertes eines in die Schreib-Wort-Leitung 56 eingespeisten elektrischen Stroms ist, der zur Invertierung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 37 notwendig ist. Daher ist es möglich, durch Einspeisung eines elektrischen Stroms mit einem vorgegebenen Wert in die Schreibleitung ein solches Magnetfeld auf das MTJ-Element 35 aufzuprägen, das die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Referenzschicht 38 ohne Änderung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 37 ändern kann.
  • Bei dieser Ausführungsform werden zur Auslesung von Daten in der Aufzeichnungsschicht 37 des MTJ-Elementes 35 die folgenden Schritte durchgeführt. Speziell wird zunächst die Auslesung durchgeführt, während kein elektrischer Strom in die Schreib-Wort-Leitung 56 (ohne Aufprägung eines Magnetfeldes auf das MTJ-Element 35) eingespeist wird. Dabei wird ein primitiver Wert einer elektrischen Eigenschaft (typischerweise Widerstand) des MTJ-Elementes 35 detektiert. Sodann wird die Auslesung durchgeführt, während ein elektrischer Strom mit einem vorgegebenen Wert in die Schreib-Wort-Leitung 56 eingespeist wird, wie dies oben beschrieben wurde, so dass dem MTJ-Element 35 ein Magnetfeld zur Auslesung aufgeprägt wird, das lediglich die Änderung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Referenzschicht 38 ändert bzw. in einer spezifischen Richtung orientiert. Dabei wird ein Referenzwert der elektrischen Eigenschaft des MTJ-Elementes 35 detektiert. Sodann werden der Primitivwert und der Referenzwert miteinander verglichen, um zu bestimmen, ob der Wert der gespeicherten Daten, beispielsweise "1" oder "0" ist.
  • Bei der oben beschriebenen Operation des Auslesens im MTJ-Element 35 gespeicherten Daten können in Abhängigkeit von der Struktur der das MTJ-Element enthaltenden Speicherzelle 24 der zur Erzeugung eines Magnetfeldes für die Auslesung und die Art der Bestimmung des Wertes der gespeicherten Daten unterschiedlich sein.
  • (Erstes Ausführungsbeispiel)
  • Die 5 und 6A zeigen eine geschnittene Seitenansicht bzw. eine ebene Layout-Ansicht des MTJ-Elementes der Speicherzellen eines MRAM gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das die gesamte Struktur des MRAM gemäß diesem Ausführungsbeispiel zeigende Blockdiagramm ist im Wesentlichen gleich demjenigen nach 1. Auch dieses MRAM enthält eine Verbindungsstruktur und eine Schichtstruktur um die Speicherzellen, welche im Wesentlichen gleich denjenigen nach den 2 bis 4 ist.
  • Wie 5 zeigt, ist ein MTJ-Element 60 zwischen einer Verbindungsschicht 51 und einer Bitleitung 57 vorgesehen, d.h., es liegt an der gleichen Stelle wie das MTJ-Element 35 nach 3. Das MTJ-Element 60 besitzt eine Spinventilstruktur und enthält eine Aufzeichnungsschicht 62 und eine Referenzschicht 63, zwischen denen ein Tunnel-Barriere-Film (Isolationsfilm) 61 vorgesehen ist. Die Aufzeichnungsschicht 62 wird durch eine ferromagnetische Schicht gebildet, welche aus einem einschichtigen oder mehrschichtigen Film bestehen, in dem wenigstens eine Schicht aus einer Fe, Ni und Co enthaltenden ferromagnetischen Legierung hergestellt ist. Die Unterseite der Aufzeichnungsschicht 62 ist elektrisch mit der Verbindungsschicht 51 verbunden.
  • Andererseits wird die Referenzschicht 63 durch eine ferromagnetische Schicht 66 gebildet, die aus einem einschichtigen oder mehrschichtigen Film besteht, in dem wenigstens eine Schicht aus einer Fe, Ni und Co enthaltenden ferromagnetischen Legierung hergestellt ist; weiterhin ist eine aus einem unmagnetischen Metall, beispielsweise Ru bestehende nicht-magnetische Schicht 67 und eine Schicht 68 hoher Koerzitivkraft in dieser Reihenfolge von der Seite des Tunnel-Barriere-Films 61 gesehen, vorgesehen. Die Schicht 68 hoher Koerzitivkraft enthält eine ferromagnetische Schicht 68a, welche aus einem einschichtigen oder mehrschichtigen Film besteht, in dem wenigstens eine Schicht aus einer Fe, Ni und Co enthaltenden ferromagnetischen Legierung hergestellt ist, sowie eine anti-ferromagnetische Schicht 68b, die aus wenigstens einem dünnen Film besteht, welcher aus einem anti-ferromagnetischen Körper, wie beispielsweise PtMn hergestellt ist. Die Oberseite der anti-ferromagnetischen Schicht 78b ist über eine Verbindung 58 elektrisch mit der Bitleitung 57 verbunden.
  • Das MTJ-Element 60 kann durch ein MTJ-Element mit einer Doppelspinventil-Struktur gebildet sein. In diesem Falle besitzt das MTJ-Element 60 zwei Tunnel-Barriere-Filme, mit einer dazwischen vorgesehenen Aufzeichnungsschicht und zwei Referenzschichten, welche auf den beiden Außenseiten der beiden Tunnel-Barriere-Filme angeordnet sind. Die Strukturen der Aufzeichnungsschicht und der Referenzschichten können beispielsweise die gleichen sein, wie sie in 5 dargestellt sind. Ist eine Doppelspinventil-Struktur vorgesehen, so ist es möglich, eine Abnahme des magnetoresistiven Änderungsbetrages relativ zur angelegten Spannung zu reduzieren und die Durchbruchsspannung zu vergrößern.
  • Das MTJ-Element 60 ist so ausgebildet, dass die Remanenz der Erhaltung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 66 der Referenzschicht 63 kleiner als die Remanenz der Erhaltung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 62 gegen ein dem MTJ-Element 60 durch die Schreib-Wort-Leitung (elektrische Treiberleitung) 56 aufgeprägtes Magnetfeld ist (siehe 3). Daher ist es möglich, dem MTJ-Element 60 ein derartiges Magnetfeld aufzuprägen, in dem ein elektrischer Strom mit einem vorgegebenen Wert in die Schreib-Wort-Leitung 56 eingespeist wird, welcher die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 66 der Referenzschicht 63 ohne Änderung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 62 ändert.
  • Diese Ausbildung der Remanenz der Magnetisierungsrichtungen kann durch Schwächen der Kopplung zwischen der Schicht 68 hoher Koerzitivkraft und der ferromagnetischen Schicht 66 in der Referenzschicht 63 realisiert werden. In der in 5 dargestellten Strukturen dient die unmagnetische Schicht 67 zwischen der Schicht 68 hoher Koerzitivkraft und der ferromagnetischen Schicht 66 zur Schwächung der Kopplung zwischen den beiden Schichten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kopplung zwischen der Schicht 68 hoher Koerzitivkraft und der ferromagnetischen Schicht 66, beispielsweise durch Reduzierung der Dicke der Schicht 68 hoher Koerzitivkraft, Reduzierung der Dicke der ferromagnetischen Schicht 66 selbst oder Vergrößern der Dicke der unmagnetischen Schicht 67 zu schwächen. Um zu verhindern, dass die Magnetisierungsrichtung der Aufzeichnungsschicht (ferromagnetische Schicht) 62 invertiert wird, ist es bevorzugt, dass die Remanenz der Magnetisierungsrichtung der Aufzeichnungsschicht 62 zweimal oder mehr größer als die der ferromagnetischen Schicht 66 in der Referenzschicht 63 gegen ein in der leichten Magnetisierungsachsenrichtung der Aufzeichnungsschicht 62 orientiertes Magnetfeld ist.
  • Gemäß 6A, in der die Bitleitung 57 in einer X-Richtung und die Schreib-Wort-Leitung 56 (siehe 3) in einer Y-Richtung verläuft, verlaufen die Langachsenrichtung und die Achsenrichtung der leichten Magnetisierung der Aufzeichnungsschicht 62 parallel zur X-Richtung. Andererseits verlaufen auch die Achsrichtung der leichten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 66 der Referenzschicht 63 und die Magnetisierungsrichtung der anti-ferromagnetischen Schicht 68b parallel zur X-Richtung, so dass sie senkrecht zur Richtung der Schreib-Wort-Leitung 56 (Y-Richtung) verlaufen, welche zur Aufprägung eines Magnetfeldes für die Auslesung verwendet wird.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden die folgenden Schritte zur Auslesung von in der Aufzeichnungsschicht 62 gespeicherten Daten durchgeführt. Bei der nachfolgenden Erläuterung einer Leseoperation wird angenommen, dass die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 62 und der ferromagnetischen Schicht 66 der Referenzschicht 63 einen Zustand gemäß Pfeilen M11 und M12 in 6A im Anfangszustand einnehmen, wenn die gespeicherten Daten gleich "1" sind. Es wird weiterhin angenommen, dass bei Einspeisung eines elektrischen Stroms Iref1 in die Schreib-Wort-Leitung 56 dem MTJ-Element 60 ein Magnetfeld aufgeprägt wird, das die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 66 der Referenzschicht 63 ohne Änderung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 62 invertiert (um etwa 180° dreht).
  • Bei Durchführung des Auslesens ohne Einspeisung eines elektrischen Stroms in die Schreib-Wort-Leitung (zur Gewinnung eines Primitivwertes) wird die Auslesung durchgeführt, während ein Strom Iref1 in die Schreib-Wort-Leitung eingespeist wird (zur Gewinnung eines Referenzwertes), und
    der Primitivwert und der Referenzwert zur Bestimmung des Wertes der gespeicherten Daten miteinander verglichen werden,
    wobei die gespeicherten Daten gleich "1" sind, wenn Primitivwert < Referenzwert gilt; und
    die gespeicherten Daten gleich "0" sind, wenn Primitivwert > Referenzwert gilt.
  • Speziell wenn der Spin (Magnetisierungsrichtung) der Aufzeichnungsschicht 62 und der Spin (Magnetisierungsrichtung) der Referenzschicht 63 im Anfangszustand parallel zueinander verlaufen, bewirkt die Einspeisung des elektrischen Stroms Iref1 zur Auslesung, dass die Spins anti-parallel zueinander verlaufen, wodurch der tunnelnde magnetoresistive Wert vergrößert wird. Verlaufen andererseits der Spin der Aufzeichnungsschicht 62 und der Spin der Referenzschicht 63 im Anfangszustand anti-parallel zueinander, so bewirkt die Einspeisung des elektrischen Stroms Iref1 zur Auslesung, dass die Spins parallel zueinander verlaufen, wodurch der tunnelnde magnetoresistive Wert reduziert wird. Daher ist es möglich, zu bestimmen, ob der Wert der gespeicherten Daten gleich "1" oder "0" ist, wenn der große und kleine Zusammenhang zwischen dem Primitivwert und dem Referenzwert beobachtet wird.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, lediglich den Spin (Magnetisierungsrichtung) der Referenzschicht 63 ohne Invertierung des Spins (Magnetisierungsrichtung) der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 62 zu invertieren, so dass eine nicht zerstörende Auslesung durchgeführt wird. Die Orientierung des Spins der Referenzschicht 63 gelangt aufgrund der Kopplung zwischen der Schicht 68 hoher Koerzitivkraft und der ferromagnetischen Schicht 66 zurück in seinen ursprünglichen Zustand, wenn der in die Schreib-Wort-Leitung 56 eingespeiste Strom Iref1 auf Null zurückgeht. Bei dieser Operation wird ein Ausleseschritt zur Gewinnung eines Referenzwertes durchgeführt, während ein elektrischer Strom in die Schreib-Wort-Leitung 56 eingespeist wird, wodurch die Anzahl der Operationsschritte in konventionellen Selbstreferenzverfahren reduziert wird.
  • Um die Datenhalteeigenschaft zu verbessern, besitzt die Aufzeichnungsschicht 62 eine solche geometrische Anisotropie, dass das Verhältnis der Länge in der Leichtmagnetisierungs-Achsrichtung relativ zur Länge in der Hartmagnetisierungs-Achsrichtung wesentlich von 1 abweicht. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Aufzeichnungsschicht 62 so ausgebildet, dass das Verhältnis der Länge in der Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung relativ zur Länge in der Hartmagnetisierungs-Achsenrichtung (X-Richtungslänge/Y-Richtungslänge) gleich 1,5 oder mehr ist.
  • Andererseits ist die Referenzschicht 63 vorzugsweise so ausgebildet, dass das Verhältnis der Länge in der Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung relativ zur Länge in der Hartmagnetisierungs-Achsenrichtung (X-Richtungslänge/Y-Richtungslänge) etwa nahe bei 1 liegt oder kleiner als 1 ist.
  • Bei dieser Ausgestaltung kann die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 66 der Referenzschicht 63 leicht durch ein Magnetfeld zur Auslesung von der Schreib-Wort-Leitung 56 invertiert werden. Mit anderen Worten, kann der elektrische Stromwert zur Bildung eines Magnetfeldes für die Auslesung reduziert werden. Als Konsequenz ist es möglich, den Leistungsverbrauch bei der Auslesung zu reduzieren und den Einfluss auf die Aufzeichnungsschichten 62 der benachbarten Speicherzellen beim Auslesen zu unterdrücken, wodurch die Betriebssicherheit des MRAM verbessert wird.
  • Aus diesem Grunde hat in dieser Struktur nach 6A die Aufzeichnungsschicht 62 eine elliptische Form mit einem Verhältnis von 2, das durch die Langachsenlänge (Länge in der Leichtmagnetisierungs-Achsrichtung)/die Kurzachsenlänge (Länge in der Hartmagnetisierungs-Achsenrichtung) definiert ist, während die Referenzschicht 63 eine kreisförmige Gestalt besitzt. In der modifizierten Struktur gemäß 6B besitzen sowohl die Aufzeichnungsschicht 62 als auch die Referenzschicht 63 eine elliptische Form, wobei die Langachsenrichtung (Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung) der Aufzeichnungsschicht 62 und die Langachsenrichtung (Hartmagnetisierungs-Achsenrichtung) der Referenzschicht 63 senkrecht aufeinander stehen.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel kann eine Differenz in der Lesesignalgröße durch nicht zerstörendes Lesen nahezu gleich der beim konventionellen Selbstreferenzverfahren realisiert werden. Daher ist es möglich, eine Verringerung in der Betriebssicherheit aufgrund von individuellen Unterschieden zwischen den Speicherzellen, welche durch die Herstellung hervorgerufen werden, verhindert werden. Darüber hinaus wird die Anzahl von Operationsschritten im Vergleich zum konventionellen Selbstreferenzverfahren reduziert, wodurch ein sehr schneller Betrieb möglich wird.
  • (Zweites Ausführungsbeispiel)
  • Die 7 und 8 zeigen eine geschnittene Seitenansicht bzw. eine ebene Layout-Ansicht des MTJ-Elementes eines MRAM gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
  • Das Blockdiagramm, das die gesamte Struktur des MRAM gemäß dieser Ausführungsform zeigt, ist im Wesentlichen das gleiche, wie es in 1 dargestellt ist. Auch enthält dieses MRAM eine Verbindungsstruktur und eine Schichtstruktur um jede Speicherzelle, welche die gleichen wie diejenigen nach den 2 bis 4 sind.
  • Im oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel kann die zu einer Schreib-Wort-Leitung 56 gehörende Information mit einer Anzahl n von Bits gleichzeitig mit einer Anzahl von parallel verlaufenden Bitleitungen durch einen Auslesevorgang ausgelesen werden. Hinsichtlich der Schreibvorgänge ist eine generell vorgesehene Struktur jedoch so ausgebildet, dass die Dateneinheit "1" bzw. "0" eingeschrieben werden, welche auf Richtungen des in eine Bitleitung eingespeisten elektrischen Stroms beruhen. Im Falle des ersten Ausführungsbeispiels, bei dem die Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 62 senkrecht auf der Richtung der Schreib-Wort-Leitung 56 (Y-Richtung) steht, ist es notwendig, Schreibvorgänge mit einer Anzahl n durchzuführen, um alle zu einer Schreib-Wort-Leitung 56 gehörende Bits der Anzahl n einzuschreiben. Im Gegensatz dazu ist es gemäß der zweiten Ausführungsform möglich, das Auslesen und Einschreiben aller zu einer Schreib-Wort-Leitung 56 gehörenden Bits der Anzahl n in einem Vorgang zu vervollständigen.
  • Wie 7 zeigt, ist ein MTJ-Element 70 zwischen einer Verbindungsschicht 51 und einer Bitleitung 57 vorgesehen, d.h., es ist an der gleichen Stelle wie das MTJ-Element 35 nach 3 angeordnet. Das MTJ-Element besitzt eine Spinventilstruktur einschließlich einer Aufzeichnungsschicht 72 und einer Referenzschicht 73, zwischen denen ein Tunnel-Barriere-Film (Isolationsfilm) 71 angeordnet ist. Die Aufzeichnungsschicht 72 wird durch eine ferromagnetische Schicht gebildet, die aus einem einschichtigen oder mehrschichtigen Film besteht, in dem wenigstens eine Schicht aus einer Fe, Ni und Co enthaltenden ferromagnetischen Legierung hergestellt ist. Die Unterseite der Aufzeichnungsschicht 72 ist elektrisch mit der Verbindungsschicht 51 verbunden.
  • Andererseits wird die Referenzschicht 73 durch eine ferromagnetische Schicht 76 gebildet, welche aus einem einschichtigen oder mehrschichtigen Film, in dem wenigstens eine Schicht aus einer Fe, Ni und Co enthaltenden ferromagnetischen Legierung hergestellt ist, eine aus einem unmagnetischen Metall, wie beispielsweise Ru, bestehenden unmagnetischen Schicht 77 und einer Schicht 78 hoher Koerzitivkraft besteht, welche in dieser Reihenfolge von der Seite des Tunnel-Barriere-Films 71 angeordnet sind. Die Schicht 78 hoher Koerzitivkraft enthält eine ferromagnetische Schicht 78a, die aus einem einschichtigen oder mehrschichtigen Film bestehen, in dem wenigstens eine Schicht aus einer Fe, Ni und Co enthaltenden ferromagnetischen Legierung hergestellt ist, und eine anti-ferromagnetische Schicht 78b, die aus wenigstens einem dünnen Film besteht, welcher aus einem anti-ferromagnetischen Körper, wie beispielsweise PtMn, hergestellt ist. Die Oberseite der anti-ferromagnetischen Schicht 78b ist elektrisch über eine Verbindung 58 mit der Bitleitung 57 verbunden.
  • Das MTJ-Element 70 ist so ausgebildet, dass die Remanenz der Erhaltung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 76 der Referenzschicht 73 kleiner als die Remanenz der Erhaltung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 72 gegen ein durch die Schreib-Wort-Leitung (elektrische Treiberleitung) 56 auf das MTJ-Element 70 aufgeprägtes Magnetfeld ist (siehe 3). Es ist daher möglich, durch Einspeisung eines elektrischen Stroms mit vorgegebenem Wert in die Schreib-Wort-Leitung 56 ein Magnetfeld auf das MTJ-Element 76 aufzuprägen, das die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 76 der Referenzschicht 73 ohne Änderung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 72 ändern kann.
  • Diese Ausgestaltung der Remanenz der Magnetisierungsrichtungen kann durch Schwächen der Kopplung zwischen der Schicht 78 hoher Koerzitivkraft und der ferromagnetischen Schicht 76 in der Referenzschicht 73 realisiert werden, wie dies anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde. Ebenso kann das MTJ-Element 70 durch ein solches gebildet werden, das eine Doppelspinventil-Struktur besitzt, wie dies anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde.
  • Wie 8 zeigt, verläuft die Bitleitung 57 in einer X-Richtung und die Schreib-Wort-Leitung 56 (siehe 3) in einer Y-Richtung, während die Langachsenrichtung der Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung der Aufzeichnungsschicht 72 parallel zur Y-Richtung verläuft. Andererseits verläuft die Langachsenrichtung der ferromagnetischen Schicht 76 der Referenzschicht 73 parallel zur X-Richtung und damit senkrecht zur Richtung der Schreib-Wort-Leitung 56 (Y-Richtung), welche zur Aufprägung eines Magnetfeldes für die Auslesung benutzt wird. Die Achse der magnetischen Induktionsanisotropie der anti-ferromagnetischen Schicht 78b der Referenzschicht 73 verläuft parallel zur Y-Richtung, während die Achse der magnetischen Induktionsanisotropie der ferromagnetischen Schicht 76 der Referenzschicht 73 parallel zur X-Richtung verläuft.
  • Ist bei dieser Ausführungsform kein externes Magnetfeld vorhanden, so ist die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 76 der Referenzschicht 73 aufgrund der Kopplung zwischen ihr selbst und der Schicht 78 hoher Koerzitivkraft in der Y-Richtung orientiert. Ist andererseits ein externes Magnetfeld in der X-Richtung vorhanden, so wird die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 76 aufgrund der geometrischen Magnetisierungsanisotropie und der magnetischen Induktionsanisotropie leicht in der X-Richtung orientiert. Speziell stimmt die Orientierung der Achse der magnetischen Induktionsanisotropie nahezu mit der Orientierung eines Magnetfeldes zusammen, das auf einen magnetischen Film beim Prozess der Abscheidung des magnetischen Films oder bei einem Prozess des Glühens des magnetischen Films aufgeprägt wird.
  • Bei dieser Ausführungsform werden zur Auslesung gespeicherter Daten in der Aufzeichnungsschicht 72 die folgenden Schritte durchgeführt. Das Operationsprinzip ist dabei grundsätzlich das gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Wird jedoch dem MTJ-Element 70 durch die Schreib-Wort-Leitung 56 ein Magnetfeld zur Auslesung aufgeprägt, so wird die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 76 der Referenzschicht 73 nahezu senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 72.
  • Bei der unten angegebenen Erläuterung einer Leseoperation wird angenommen, dass die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 72 und der ferromagnetischen Schicht 76 der Referenzschicht 73 sich im Anfangsstadium in Bedingungen gemäß Pfeilen M21 und M22 in 8 befinden, wenn die gespeicherten Daten gleich "1" sind. Es wird weiterhin auch angenommen, dass bei Einspeisung eines elektrischen Stroms Iref2 zur Auslesung in die Schreib-Wort-Leitung 56 dem MTJ-Element 70 ein solches Magnetfeld aufgeprägt wird, dass die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 76 der Referenzschicht 73 ohne Änderung der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht der Aufzeichnungsschicht 72 ändert (um etwa 90° dreht).
  • Bei der Durchführung der Auslesung ohne Einspeisen eines elektrischen Stroms in die Schreib-Wort-Leitung (zur Gewinnung eines Primitivwertes), wird die Auslesung durchgeführt, während der Strom Iref2 (zur Gewinnung eines Referenzwertes) in die Schreib-Wort-Leitung eingespeist wird, und
    der Primitivwert und der Referenzwert zur Bestimmung des Wertes der gespeicherten Daten miteinander verglichen werden, und
    wobei die gespeicherten Daten gleich "1" sind, wenn der Primitivwert < Referenzwert gilt; und
    die gespeicherten Daten gleich "0" sind, wenn der Primitivwert > Referenzwert gilt.
  • Speziell bewirkt die Einspeisung des elektrischen Stroms Iref2 zur Auslesung, dass die Spins nahezu senkrecht aufeinander stehen, wodurch der tunnelnde magnetoresistive Wert vergrößert wird, wenn der Spin (Magnetisierungsrichtung) der Aufzeichnungsschicht 72 und der Spin (Magnetisierungsrichtung) der Referenzschicht 73 im Anfangsstadium parallel zueinander ausgerichtet sind. Andererseits bewirkt die Einspeisung des elektrischen Stroms Iref2 zur Auslesung, dass die Spins nahezu senkrecht aufeinander stehen, wodurch der tunnelnde magnetoresistive Wert erhöht wird, wenn der Spin der Aufzeichnungsschicht 72 und der Spin der Referenzschicht 73 anti-parallel zueinander ausgerichtet sind. Es ist daher möglich, zu bestimmen, ob der Wert der gespeicherten Daten gleich "1" oder "0" ist, in dem der Groß- und Klein-Zusammenhang zwischen dem Primitivwert und dem Referenzwert beobachtet wird.
  • Bei dieser Ausführungsform wird eine Differenz in der Signalgröße zwischen dem Primitivwert und dem Referenzwert kleiner als diejenige im ersten Ausführungsbeispiel. Dies ist aus dem folgenden Grund so. Speziell wird beim ersten Ausführungsbeispiel der Spin der Referenzschicht 63 invertiert, wodurch eine Änderung von "parallel in anti-parallel" oder "von anti-parallel in parallel" hervorgerufen wird, um eine Änderung in der Signalgröße zu beobachten. Andererseits wird bei der zweiten Ausführungsform der Spin der Referenzschicht 73 nicht invertiert, sondern lediglich um etwa 90° gedreht, wodurch eine Änderung lediglich "von parallel in senkrecht" oder "von anti-parallel in senkrecht" hervorgerufen wird, um eine Änderung in der Signalgröße zu beobachten. Als Konsequenz wird bei der zweiten Ausführungsform die Änderung in der Signalgröße auf etwa die Hälfte der Größe beim ersten Ausführungsbeispiel reduziert. Allerdings ist dieser Wert groß genug, um den Primitivwert und den Referenzwert zur Bestimmung des Wertes der gespeicherten Daten miteinander zu vergleichen.
  • Andererseits können bei der zweiten Ausführungsform die folgenden Effekte zusätzlich zu denen des ersten Ausführungsbeispiels erhalten werden. Da die Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung der Aufzeichnungsschicht 72 parallel zur Schreib-Wort-Leitung 56 ausgerichtet ist, wird es speziell möglich, jedes Auslesen oder Einschreiben aller n Bits, welche zu einer Schreib-Wort-Leitung 56 gehören, in einem Vorgang durchzuführen. Es ist weiterhin auch möglich, das Risiko eines Fehleinschreibens in die Aufzeichnungsschicht 52 zu reduzieren, wenn ein elektrischer Strom Iref2 für das Auslesen eingespeist wird. Dies ist deshalb so, weil bei Einspeisung des elektrischen Stroms in die Schreib-Wort-Leitung 56 ein dabei nahe der Aufzeichnungsschicht 72 aufgeprägtes Magnetfeld eine Orientierung besitzt, die in der Hartmagnetisierungs-Achsenrichtung der Aufzeichnungsschicht 72 ausgerichtet ist. Daher kann die Orientierung des Spins der Aufzeichnungsschicht 72 schwer invertiert werden, selbst wenn ein großer elektrischer Strom in die Schreib-Wort-Leitung 56 eingespeist wird, so dass ein Zerstören der darin befindlichen Daten verhindert wird. Darüber hinaus expandiert der Bereich des Stroms Iref2, wodurch ein Fehleinschreiben oder Fehlauslesen im MRAM unterdrückt wird.
  • Um die Datenerhaltungseigenschaft zu verbessern, besitzt die Aufzeichnungsschicht 72 vorzugsweise eine solche geometrische Anisotropie, dass das Verhältnis der Länge in der Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung relativ zur Länge in der Hartmagnetisierungs-Achsenrichtung wesentlich von 1 abweicht. Bei dieser Ausführungsform ist die Aufzeichnungsschicht 72 so ausgebildet, dass das Verhältnis der Länge in der Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung relativ zur Länge in der Hartmagnetisierungs-Achsenrichtung (Y-Richtungslänge/X-Richtungslänge) gleich 1,5 oder größer ist.
  • Andererseits ist die ferromagnetische Schicht 76 der Referenzschicht 73 vorzugsweise so ausgebildet, dass das Verhältnis der Länge in der Hartmagnetisierungs-Achsenrichtung relativ zur Länge in der Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung (Y-Richtungslänge/X-Richtungslänge) kleiner als 1 ist. Bei dieser Ausgestaltung kann die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 76 der Referenzschicht 73 durch ein über die Schreib-Wort-Leitung 56 erzeugtes Magnetfeld zur Auslesung leicht um etwa 90° gedreht werden. Mit anderen Worten, kann der elektrische Stromwert zur Erzeugung eines Magnetfeldes für die Auslesung reduziert werden. Als Konsequenz ist es möglich, den Leistungsverbrauch beim Auslesen zu reduzieren und den Einfluss der Aufzeichnungsschicht 72 auf benachbarte Speicherzellen beim Auslesen zu unterdrücken, wodurch die Betriebssicherheit des MRAM verbessert wird.
  • Bei dieser Ausgestaltung der Struktur nach 8 besitzen die Aufzeichnungsschicht 72 und die Referenzschicht 73 eine elliptische Form, während die Langachsenrichtung (Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung) der Aufzeichnungsschicht 72 und die Langachsenrichtung (Leichtmagnetisierungs-Achsenrichtung) der Referenzschicht 73 senkrecht aufeinander stehen.
  • Wie oben beschrieben, ist es bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung möglich, ein MRAM zu schaffen, bei dem ein nicht zerstörendes Auslesen mit geringen Fehlern durch eine verringerte Anzahl von Schritten im Vergleich zur Ausleseoperation des Selbstreferenztyps durchgeführt werden kann.

Claims (9)

  1. Magnetischer Arbeitsspeicher, umfassend: einen Speicherzellen-Array, das Speicherzellen (24) beinhaltet, die jeweils an Adressen bereitgestellt sind, die im Matrizenformat angeordnet sind, wobei jede Speicherzelle ein magnetoresistives Bauteil (60) als Speicherelement enthält; Wortzeilen (22) jeweils verbunden mit Linien des Speicherzellen-Arrays; Bitzeilen (23) jeweils verbunden mit Spalten des Speicherzellen-Arrays; einen Zeilendekodierer (13, 15), angelegt, um Wortzeilen auszuwählen; und einen Spaltendekodierer (17), angelegt, um Bitzeilen auszuwählen, wobei das magnetoresistive Bauteil (60) eine Speicherschicht (62) und eine Referenzschicht (63) aufweist, angeordnet, einen Tunnel-Barrier-Film (61) dazwischen einzuschließen, und angelegt, Daten in der Speicherschicht zu speichern; wobei eine elektrische Stromsteuerleitung (56) angelegt ist, ein Magnetfeld an das magnetoresistive Bauteil selektiv anzuwenden, wobei die elektrische Stromsteuerleitung mindestens eine der Wortzeilen (22) und der Bitzeilen (23) umfasst; wobei die Speicherschicht (62) eine erste ferromagnetische Schicht (62) umfasst, während die Referenzschicht (63) eine zweite ferromagnetische Schicht (66, 76) umfasst, und die Magnetfeldrichtungsveränderlichkeit der zweiten ferromagnetischen Schicht geringer ist als die Magnetfeldrichtungsveränderlichkeit der ersten ferromagnetischen Schicht, gegenüber einem Magnetfeld, das durch die elektrische Stromsteuerleitung (56) auf das magnetoresistive Bauteil (60) angewendet wird; wobei die Referenzschicht (63) so angeordnet ist, dass die Magnetfeldrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (66) in einer bestimmten Richtung ausgerichtet ist, ohne von der Magnetfeldrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (62) abhängig zu sein, wenn kein elektrischer Strom an der elektrischen Stromsteuerleitung (56) anliegt; wobei, wenn abgelegte Daten in der Speicherschicht (62) einer ausgewählten Speicherzelle (24) im Speicherzellen-Array gelesen werden, ein Wert der gespeicherten Daten bestimmt wird durch einen Lesezugriff während der Anwendung eines Magnetfeldes zum Lesen auf das magnetoresistive Bauteil (60) durch zumindest eine Speicherwortzeile (22) und Bitzeile (23), wobei das Magnetfeld zum Lesen in der Lage ist, die Magnetfeldrichtung der Referenzschicht (63) der ausgewählten Speicherzelle zu ändern, ohne die abgelegten Daten zu zerstören; dadurch gekennzeichnet dass die Referenzschicht (63 eine mehrschichtige Struktur umfasst, die die zweite ferromagnetische Schicht (66) und eine nicht-ferromagnetische Schicht (68b) einschließt, in der die Richtungen der leichten Magnetisierungsachsen der ersten und zweiten ferromagnetischen Schicht (62, 66) und die Magnetfeldrichtung der nicht-ferromagnetischen Schicht (68b) lotrecht zur Richtung sind, in der sich die elektrische Stromsteuerleitung ausdehnt.
  2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschicht (63) ferner eine nicht-magnetische Schicht (67) zwischen der zweiten ferromagnetischen Schicht (66) und der nicht-ferromagnetischen Schicht (68b) umfasst.
  3. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungen der leichten Magnetisierungsachsen der ersten und zweiten ferromagnetischen Schicht (62, 63) lotrecht zur Richtung sind, in der sich die elektrischen Stromsteuerleitung (56) ausdehnt.
  4. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungen der langen Achsen der ersten und zweiten ferromagnetischen Schicht (62, 63) lotrecht zueinander sind.
  5. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Verhältnis kleiner ist als ein erstes Verhältnis, wobei das zweite Verhältnis für [lange Achsenlänge] / [kurze Achsenlänge] der zweiten ferromagnetischen Schicht (63) steht und erstes Verhältnis für [lange Achsenlänge] / [kurze Achsenlänge] der ersten ferromagnetischen Schicht (62) steht.
  6. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter elektrischer Stromstärkewert kleiner ist als ein erster elektrischer Stromstärkewert, wobei der zweite elektrische Stromstärkewert ein Minimalwert im Betrag eines an der elektrischen Stromsteuerleitung (56) anliegenden elektrischen Stroms ist, der notwendig für die Umkehrung der Magnetfeldrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (63) ist, und der erste elektrische Stromstärkewert ein Minimalwert im Betrag eines an der elektrischen Stromsteuerleitung anliegenden elektrischen Stroms ist, der notwendig für die Umkehrung der Magnetfeldrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (62) ist.
  7. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn gespeicherte Daten im magnetoresistiven Bauelement (60) gelesen werden, ein Wert der gespeicherten Daten durch einen Lesezugriff während der Anwendung eines Magnetfeldes zum Lesen auf das magnetoresistive Bauteil durch die elektrische Stromsteuerleitung (56) bestimmt wird , wobei das Magnetfeld zum Lesen die Magnetfeldrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (66) ändert, ohne die Magnetfeldrichtung der ersten ferromagnetischen Schicht (62) zu ändern.
  8. Speicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht (66) im Wesentlichen um 180° durch das magnetische Feld zum Lesen gedreht wird.
  9. Speicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn gespeicherte Daten gelesen werden, ein Wert der gespeicherten Daten durch einen Lesezugriff ohne Anwendung eines Magnetfeldes zum Lesen bestimmt wird, um einen primitiven Wert einer elektrischen Eigenschaft des magnetoresistiven Bauteils (60) zu bestimmen; durch einen Lesezugriff während der Anwendung eines Magnetfeldes zum Lesen, um einen Referenzwert einer elektrischen Eigenschaft des magnetoresistiven Bauteils zu bestimmen; und durch Vergleichen des primitiven Wertes und des Referenzwert miteinander.
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