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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.
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"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.
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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.
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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.
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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.
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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)).
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 ist aus der
US 6 134 138 bekannt.
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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.
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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.
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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.
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In
dem Artikel "Magnetic
tunnelling applied to memory" von
Daughton, XP-000702683 sind magnetoresistive Speicher mit wahlfreiem
Zugriff unter Verwendung eines magnetoresistiven Großmaterials
beschrieben.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild eines MRAM gemäß einer
ersten Ausführungsform,
welche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, jedoch zu deren
Verständnis
nützlich
ist;
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2 eine
ebene Ansicht eines Teils entsprechend zwei Speicherzellen des MRAM
gemäß der ersten
Ausführungsform;
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3 einen
Schnitt in der Ebene III-III in 2;
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4 einen
Schnitt in einer Ebene IV-IV in 2;
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5 eine
geschnittene Seitenansicht, welche das MTJ-Element von Speicherzellen
eines MRAM gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6A eine
ebene Layout-Ansicht, welche das MTJ-Element nach 5 zeigt,
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6B eine
ebene Layout-Ansicht von dessen Abwandlung zeigt;
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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
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8 eine
ebene Layout-Ansicht, welche das MTJ-Element nach 7 zeigt.
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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.
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(Erste Ausführungsform)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Source-Diffusionszone 42 ist über eine Steckverbindung 45 mit
einer Lese-Source-Leitung 46 verbunden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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An
Stelle von "Remanenz" kann auch "Koerzitivkraft" verwendet werden.
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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.
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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.
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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.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.