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Diese
Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von und den Zugriff auf
Magnetspeicherzellen in einem magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM-Speicher).
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Hintergrund
der Erfindung
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Magnetische
Direktzugriffsspeicher-Anordnungen (MRAM-Anordnung) des Typs, wie er in der Einleitung
zu Anspruch 1 definiert sowie in den US-Patentschriften 5 640 343
und 5 650 985 beschrieben sowie in den hierin enthaltenen 1a und 1b abgebildet
ist, beinhalten eine Anordnung von Magnetspeicherzellen (z.B. Zelle 9),
die sich an den Kreuzungspunkten der Wortleitungen 1, 2, 3 und
der Bitleitungen 4, 5, 6 befinden. Jede
Zelle beinhaltet einen magnetisch änderbaren oder freien Bereich 24 und
einen benachbarten Referenzbereich 20, die als eine magnetische
Grenzschicht-Einheit 8 mit Tunneleffekt (Magnetic Tunnel
Junction, MTJ) angeordnet sind. Das der Speicherung von Daten in derartigen
Zellen zugrunde liegende Prinzip besteht darin, dass die relative
Magnetisierungsrichtung der freien und der Referenzbereiche geändert werden kann,
indem die Ausrichtung der Magnetisierung an der leichten Achse (Easy
Axis, EA) des freien Bereichs geändert
wird, sowie darin, dass diese relative Richtungsänderung im Anschluss daran
ausgelesen werden kann. (Der Begriff „Referenzbereich" wird hier allgemein
verwendet, um eine beliebige Art von Bereich zu bezeichnen, der,
zusammen mit dem freien oder änderbaren Bereich,
einen nachweisbaren Zustand der Einheit als Ganzes erzeugt.) Derartige Anordnungen
werden auch in den folgenden gemeinschaftlich übertragenen und gleichzeitig
eingereichten US-Patentanmeldungen beschrieben:
- 1.
Patentanmeldung Nr.: 09/021 342, eingereicht am 10. Februar 1998,
mit dem Titel „MAGNETIC
MEMORY DEVICES HAVING MULTIPLE MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS THEREIN";
- 2. Patentanmeldung Nr.: 09/021 352, eingereicht am 10. Februar
1998, mit dem Titel „LIMITING
MAGNETORESISTIVE ELECTRICAL INTERACTION TO A PREFERRED PORTION OF
A CHANGEABLE MAGNETIC REGION IN MAGNETIC DEVICES"; und
- 3. Patentanmeldung Nr. 09/021 569, eingereicht am 10. Februar
1998, mit dem Titel „LIMITING
MAGNETIC WRITING FIELDS TO A PREFERRED PORTION OF A CHANGEABLE MAGNETIC
REGION IN MAGNETIC DEVICES".
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Genauer
gesagt, es wird in MRAM-Zellen geschrieben, indem die Magnetisierung
des freien Bereichs umgekehrt wird, wobei bidirektionale elektrische
und somit magnetische Anregungen über ihre entsprechende Bit-
und Wortleitung erfolgen, und die Zellen werden danach ausgelesen,
indem der sich ergebende Tunnelwiderstand zwischen der Bit- und der
Wortleitung gemessen wird, welcher abhängig von der relativen Ausrichtung
der Magnetisierung des freien Bereichs mit Bezug auf den Referenzbereich
einen von zwei Werten aufweisen kann. Wenn der freie Bereich als
einfacher Elementarmagnet ausgelegt ist, bei dem sich die Ausrichtung
seines magnetischen Moments zwar frei drehen kann, jedoch die Ausrichtung
an seiner leichten Achse in beiden Richtungen (+EA oder –EA) deutlich
bevorzugt wird, und wenn der Referenzbereich beispielsweise ein ähnlicher
Elementarmagnet ist, dessen Magnetisierungsrichtung jedoch in +EA-Richtung
festgelegt ist, ergeben sich zwei Zustände (und somit zwei mögliche Werte
für den
Tunnelwiderstand) für
die Zelle: parallel (+EA/+EA) und antiparallel (–EA/+EA).
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2 zeigt
eine ideale Hystereseschleife, die kennzeichnend für den Tunnelwiderstand
in Abhängigkeit
von dem angelegten EA-Feld ist. Der Widerstand der magnetischen
Grenzschicht kann dabei einen von zwei verschiedenen Werten aufweisen, wobei
in Bereich 50 keine Anregung erfolgt, d. h., unterhalb
der Umschaltfeldstärke
+/– Hc in Bereich 50 findet keine Reaktion
des Widerstandes auf das angelegte Feld statt. Wenn das angelegte
EA-Feld jedoch den Wert von +/– Hc überschreitet,
wird die Zelle in ihren entsprechenden hoch- oder niederohmigen gezwungen.
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Selbst
bei einem einfachen Magnetisierungsmuster der beiden Bereiche, welche
die Grenzschicht mit Tunneleffekt bilden, kann die Umkehrung der
Magnetisierungsrichtung des freien Bereichs während des Schreibens unerwartete
Auswirkungen auf einen oder auch beide Bereiche haben. So kann die
Umkehrung der Magnetisierungsrichtung während des Schreibens zur Bildung
von magnetischen Vortexwänden
oder komplexen magnetischen Domänenwänden führen, die
durch einen Defekt oder eine Kantenunebenheit fixiert werden. Da
der widerstand der Grenzschicht vom Dotprodukt mfreimReferenz abhängig ist, das über die
Grenzschichtfläche
gemittelt wird, kann die Bildung derart komplexer mikromagnetischer
Strukturen dazu führen,
dass der gemessene Widerstand der Grenzschicht mit Tunneleffekt während des
Auslesens deutlich fehlerhaft ist.
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So
wird in 3 beispielsweise das Magnetisierungsmuster
des freien Bereichs 24 einer MRAM-Zelle gezeigt, das symmetrisch
an seiner leichten Achse EA ausgerichtet ist, bei dem zwischen den
ansonsten akzeptablen Bereichen 130 und 134 des
Magnetisierungsmusters eindeutig eine komplexe Wandstruktur 132 erkennbar
ist. Dieses Magnetisierungsmuster wurde insgesamt aus einem nominell einheitlichen
Magnetmuster (bei dem die Magnetisierungsrichtung der oberen und
der unteren Schicht ursprünglich
nach rechts zeigte) erhalten, bei dem ein Magnetisierungsbereich
von +700 Oe auf –700
Oe und anschließend
wieder auf +700 Oe durchfahren wurde. Die Umkehrung der Magnetisierungsrichtung führte zur
Entstehung der komplexen Struktur 132, als ein Magnetfeldbereich
von +700 Oe bis –60
Oe durchfahren wurde. 4 ist eine Hystereseschleife, die
für dieses
fehlerhafte Muster die Ausrichtung der Magnetisierung in Beziehung
zu dem angelegten EA-Feld zeigt. Die nichtquadratische Form des
Bereichs 150 ergibt eine Zelle, die, wenn das angelegte EA-Feld
entfernt wird, nicht mit zuverlässiger
Vorhersagbarkeit einen ihrer beiden Zustände einnimmt, und lässt sich
auf die Entstehung derartiger komplexer mikromagnetischer Strukturen
in der Zelle zurückführen.
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Diese
unerwünschten
magnetischen Strukturen verkleinern im besten Falle das parametrische Funktionsfenster
der Zelle oder führen
im schlimmsten Falle zu einem vollständigen Zusammenbruch der quadratisch
geformten Hystereseschleife, die für die Speicherung erforderlich
ist. Außerdem
kann das Vorhandensein derartiger Strukturen dazu führen, dass
die Schaltleitungen, die für
eine Ummagnetisierung bzw. eine deutliche Ummagnetisierung des freien
Bereichs notwendig sind, größer und/oder
leistungsstärker
ausgebildet sein müssen.
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Notwendig
sind demnach Techniken, mit denen derartige komplexe mikromagnetische
Strukturen vermieden werden, wenn der Zustand einer Magnetspeicherzelle
in einer MRAM-Anordnung geändert
wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Um
die oben genannten Nachteile der Magnetspeicherzellen zu beheben,
bezieht sich ein Aspekt der vorliegenden Erfindung auf einen Magnetspeicher
mit sich kreuzenden ersten und zweiten Leitern, die einen Kreuzungsbereich
bilden. Eine Magnetspeicherzelle ist in dem Kreuzungsbereich angeordnet
und beinhaltet einen änderbaren
Magnetbereich mit einer Magnetachse, entlang derer zwei Magnetisierungsrichtungen
erzeugt werden können,
wodurch zwei entsprechende Zustände
bereitgestellt werden, in welche die Zelle wechseln kann. Die Zelle wechselt
in Abhängigkeit
von den magnetischen Anregungen, die über die sich kreuzenden ersten
und zweiten Leiter daran erfolgen, in einen ihrer beiden Zustände. Der änderbare
Magnetbereich ist so ausgebildet, dass er eine im Wesentlichen asymmetrische
Form um seine Magnetachse aufweist, so dass das Magnetisierungsmuster
während
des Schreibens einwandfrei entstehen kann, ohne dass es zur Bildung
der oben erläuterten
komplexen mikromagnetischen Strukturen kommt.
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Der änderbare
Magnetbereich der Zelle kann als ein im Wesentlichen flaches, nichtrechtwinkliges Parallelogramm
um seine Magnetachse ausgebildet sein. Alternativ oder auch in Kombination
damit kann der änderbare
Magnetbereich aufgrund einer ihm innewohnenden magnetischen Anisotropie
eine asymmetrische Form um seine Magnetachse aufweisen, wobei nach Möglichkeit
benachbarte Vormagnetisierungsbereiche verwendet werden.
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Bei
einer Ausführungsform
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Magnetspeicher
mit sich kreuzenden ersten und zweiten Leitern, die einen Kreuzungsbereich
bilden. Wie oben bereits erwähnt,
befindet sich eine Magnetspeicherzelle in dem Kreuzungsbereich und
verfügt über eine
Magnetachse, entlang derer zwei Magnetisierungsrichtungen erzeugt
werden können,
wodurch zwei entsprechende Zustände
bereitgestellt werden, in welche die Zelle, in Abhängigkeit
von den magnetischen Anregungen, die über die sich kreuzenden ersten und
zweiten Leiter daran erfolgen, wechseln kann. Die Zelle ist so in
dem Kreuzungsbereich angeordnet, dass ihre Magnetachse nicht parallel
zu dem sich kreuzenden ersten oder zweiten Leiter verläuft. Bei einer
Ausführungsform
besteht zwischen der Magnetachse und dem sich kreuzenden ersten
oder zweiten Leiter ein Winkel von rund über 5 Grad.
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Neben
den oben erwähnten
Techniken, mit denen eine Asymmetrie um die Magnetachse der Speicherzelle
bewusst herbeigeführt
wird, bezieht sich die vorliegende Erfindung auch darauf, die über die
sich kreuzenden ersten und zweiten Leiter an der Zelle erfolgten
magnetischen Anregungen so anzuordnen, dass sie in Übereinstimmung
mit der relativen Amplitude und/oder der Zeitsteuerung der Magnetfelder,
die von dem betreffenden Leiter erzeugt werden, asymmetrisch angelegt
werden.
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Bei
einer Ausführungsform
wird unter Verwendung der Wortleitung ein Vormagnetisierungsfeld angelegt,
und die Bitleitung wird von einem hohen auf einen niedrigen Wert
variiert, während
der Vormagnetisierungswert angelegt wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
werden beide Leitungen gleichzeitig von jeweils niedrigen auf jeweils
hohe Werte variiert, wobei jedoch unterschiedliche Amplituden verwendet
werden, z.B. indem die Wortleitung 10 Prozent des Werts der Bitleitung
beträgt.
Wie sich gezeigt hat, führt
diese Asymmetrie der erfolgten Anregung zu einwandfreien Magnetisierungsmustern
während
des Schreibens.
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Bei
Verwendung dieser oben beschriebenen Techniken, d.h. einer physischen
Asymmetrie und/oder einer Asymmetrie der Anregung, kann davon ausgegangen
werden, dass die Magnetisierungsmuster des freien Bereichs der Magnetspeicherzellen
von einem Zustand in den anderen Zustand wechseln, ohne dass es
zur Entstehung unerwünschter
komplexer mikromagnetischer Strukturen kommt. Die Gesamtleistung
der Zelle wird verbessert, da der Tunnelwiderstand zuverlässig vorhersagbar
einen von zwei Werten annimmt, wenn die angelegten Schreibfelder
entfernt werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine
besondere Erläuterung
und Beanspruchung des Gegenstands der Erfindung findet sich im abschließenden Teil
der Patentbeschreibung. Die Erfindung, sowohl mit Bezug auf ihren
Aufbau als auch auf die praktische Umsetzung, sowie ihre weiteren Aufgaben
und Vorteile werden jedoch am deutlichsten mit Blick auf die folgende
ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) und zugehörigen Zeichnungen,
wobei:
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die 1a und 1b eine
MRAM-Anordnung mit einer Vielzahl von Magnetspeicherzellen an den
Kreuzungspunkten von sich kreuzenden Bitleitungen und Wortleitungen
bzw. eine einzelne Speicherzelle mit magnetischer Grenzschicht und
Tunneleffekt (MTJ-Speicherzelle) zeigen;
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2 für eine MTJ-Speicherzelle
eine ideale Hystereseschleife des gemessenen Widerstands zeigt,
der als Funktion eines angelegten EA-Feld dargestellt ist;
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3 ein
Magnetisierungsmuster einer beispielhaften, symmetrischen Magnetspeicherzelle
mit einer komplexen mikromagnetischen Wandstruktur zeigt;
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4 eine
berechnete Hystereseschleife der beispielhaften Magnetspeicherzelle
aus 3 zeigt;
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5 eine
Draufsicht der Geometrie einer beispielhaften Magnetspeicherzelle
ist, die symmetrisch um ihre leichte Achse geformt ist und anhand derer
die Techniken der asymmetrischen Anregungen der vorliegenden Erfindung
deutlich gemacht werden;
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die 6a und 6b die
jeweiligen Zeitablaufdiagramme für
die Felder der leichten und harten Magnetachsen sind, die während des
Schreibens einer Magnetspeicherzelle angelegt werden, gemäß den verschiedenen
Ausführungsformen
der Anregungsasymmetrie der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
Anordnung von Hystereseschleifen ist, die unter Verwendung der verschiedenen Werte
des Vormagnetisierungsfelds der konstanten harten Achse aus 6a für das Beispiel
aus 5 gemessen werden;
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8a eine
simulierte Hystereseschleife für eine
konstante Vormagnetisierung der harten Achse von 20 Oe ist;
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8b eine
simulierte Hystereseschleife für eine
konstante Vormagnetisierung der harten Achse von 70 Oe ist;
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9 eine
Draufsicht einer Magnetspeicherzelle ist, die in Übereinstimmung
mit den Grundsätzen
der physischen Asymmetrie der vorliegenden Erfindung geformt ist,
bei der Zellen an den Kreuzungspunkten von Bitleitungen und Wortleitungen
gebildet werden und die eine asymmetrische Form um ihre leichte
Achse aufweist;
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10 eine
Draufsicht einer Magnetspeicheranordnung ist, die in Übereinstimmung
mit den Grundsätzen
der physischen Asymmetrie der vorliegenden Erfindung geformt ist,
bei der Zellen an den Kreuzungspunkten von Bitleitungen und Wortleitungen
gebildet werden und die leichte Achse einer jeden Zelle weder zu
den Bit- noch zu den Wortleitungen parallel ist;
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die 11a und 11b eine
Draufsicht bzw. einen Querschnitt einer Magnetspeicherzelle sind,
die in Übereinstimmung
mit den Grundsätzen der
physischen Asymmetrie der vorliegenden Erfindung geformt ist, bei
der eine ihr innewohnende Vormagnetisierung dazu verwendet wird,
die magnetische Asymmetrie einer ansonsten symmetrisch geformten
Zelle aufzuheben;
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die 12a und 12b zwei
mögliche
Magnetisierungsrichtungen der vormagnetisierten, magnetisch asymmetrischen
Zelle aus den 11a und 11b zeigen;
und
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13 ein
Energiediagramm von drei unterschiedlichen Zuständen einer Magnetspeicherzelle ist,
die sich überschneiden,
wenn das Feld der leichten Achse entfernt wird, und somit auf einen
nicht vorhersagbaren Zustand der Magnetspeicherzelle hinweisen;
und
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14 ein
Energiediagramm einer Magnetspeicherzelle ist, die in Übereinstimmung
mit den Grundsätzen
der physischen Asymmetrie der vorliegenden Erfindung geformt ist
und die, wenn das Feld der leichten Achse entfernt wird, einen vorhersagbaren
Zustand einnimmt.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Im
Folgenden werden die Techniken beschrieben, mit denen sich die oben
erwähnten
Probleme bei der Umkehrung der Magnetisierungsrichtung in MRAM-Zellen überwinden
lassen. Die Techniken beinhalten die der MRAM-Zelle innewohnende Asymmetrie
der Schreibanregungen, den physischen Aufbau der MRAM-Zelle oder
aber beides, wodurch der Vorgang der Umkehrung der Magnetisierungsrichtung
wesentlich verbessert wird. Die Asymmetrie kann auf verschiedene
Arten erreicht werden, z.B. durch asymmetrische magnetische Schreibanregungen
(die beispielsweise außeraxial
angelegt werden, wobei ein konstantes Magnetfeld der harten Achse verwendet
wird, das zusammen mit einem auf fortlaufend verschiedene Werte
gesetzten Magnetfeld der leichten Achse oder in einem Winkel zu
der leichten Achse angelegt wird, wobei gleichzeitig auf fortlaufend
verschiedene Werte gesetzte Magnetfelder der leichten Achse und
der harten Achse verwendet werden). Die beschriebene Asymmetrie
der physischen Grenzschicht bezieht sich auch auf die Verwendung einer
strukturierten Dünnschichtasymmetrie,
eine nichtvorhandene Ausrichtung der Zelle an den zugehörigen Bit-
und Wortleitungen oder eine Eigenanisotropie der Grenzschicht, welche
die Form der Grenzschicht oder die Symmetrie des Magnetfelds um
ihre Achse zunichte macht.
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Die
grundlegenden Merkmale der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der
innewohnenden Asymmetrie werden im Folgenden mit Blick auf die 6 bis 12 beschrieben.
Zu Informationszwecken findet sich jedoch zunächst eine kurze Beschreibung
der allgemeinen Grundlagen von Herstellung und Funktion der Speicheranordnung
aus den 1a und 1b gemäß den US-Patentschriften
5 640 343 und 5 650 958, auf die weiter oben verwiesen wird.
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Mit
Blick auf 1a beinhaltet eine beispielhafte
MRAM-Anordnung eine
Gruppe von Leitern, die als parallele Wortleitungen 1, 2 und 3 in
einer horizontalen Ebene dienen, sowie eine Gruppe von Leitern,
die als parallele Bitleitungen 4, 5 und 6 in
einer weiteren horizontalen Ebene dienen. Die Ausrichtung der Bitleitungen
weicht von derjenigen der Wortleitungen ab, z.B. indem sie in einem
rechten Winkel zu den Wortleitungen ausgerichtet sind, so dass die
beiden Leitergruppen sich – in
der Draufsicht betrachtet – kreuzen.
Eine Speicherzelle wie beispielsweise die in 1b ausführlich dargestellte
typische Speicherzelle 9 befindet sich an jedem Kreuzungspunkt
der Wort- und Bitleitungen in dem Kreuzungsbereich, der sich vertikal
zwischen den Leitern erstreckt. 1a zeigt
drei Wort- und drei Bitleitungen, wobei die Anzahl der Leitungen üblicherweise
jedoch sehr viel größer ist.
Die Speicherzelle 9 ist in einem vertikalen Stapel angeordnet
und kann eine Diode 7 und eine magnetische Grenzschicht-Einheit
mit Tunneleffekt (MTJ) 8 beinhalten. Während des Betriebs der Anordnung
fließt
in vertikaler Richtung ein Strom durch die Zelle 9. Aufgrund
des vertikalen Strompfads kann die Speicherzelle eine sehr kleine
Oberfläche
aufweisen. Die Kontaktstellen zu den Wortleitungen, der MTJ, der
Diode sowie zu der Bitleitung sind alle auf derselben Fläche untergebracht.
Obwohl dies in 1a nicht gezeigt wird, kann
die Anordnung auf einem Substrat ausgebildet sein, wobei es sich
beispielsweise um ein Siliziumsubstrat mit weiteren Schaltungen
handeln kann. Außerdem
befindet sich in den Bereichen der MRAM-Zelle, die keine Kreuzungsbereiche
sind, in der Regel eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden
Material zwischen den Bit- und den Wortleitungen.
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Die
Struktur der Speicherzelle 9 wird ausführlicher mit Blick auf 1b beschrieben.
Die Speicherzelle 9 ist auf einer Wortleitung 3 ausgebildet
und verfügt über eine
Kontaktstelle zu ihr (1a). Die Speicherzelle 9 umfasst
einen vertikalen Stapel einer diodenartigen Einheit, z.B. einer
Silizium-Sperrschichtdiode 7,
und eine MTJ 8 in Reihenschaltung. Bei der Diode 7 handelt
es sich um eine Silizium-Sperrschichtdiode,
die eine n-Typ-Siliziumschicht 10 und eine p-Typ-Siliziumschicht 11 umfasst.
Die p-Typ-Siliziumschicht 11 der Diode ist über einen Wolframsteg 12 mit
der MTJ 8 verbunden. Die n-Typ-Siliziumschicht 10 ist
mit der Wortleitung 3 verbunden.
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Die
MTJ kann als eine Reihe von aufeinander folgenden Materialschichten
ausgebildet sein. Die MTJ 8 aus 1b umfasst
eine Schablonenschicht 15, z.B. aus Pt, eine ferromagnetische
Ausgangsschicht 16, z.B. aus Permalloy (Ni- Fe), eine antiferromagnetische
Schicht (AF) 18, z.B. aus Mn-Fe, eine feste oder fixierte ferromagnetische
Referenzschicht (FMF) 20, z.B. aus Co-Fe oder Permalloy, eine
dünne Tunnelgrenzschicht 22 aus
Aluminiumoxid (Al2O3),
eine weichmagnetische oder „freie" ferromagnetische
Schicht (FMS) 24, z.B. in Form einer „Sandwich"-Schichtung von dünnem Co und Fe mit Permalloy,
sowie eine Kontaktschicht 25, z.B. aus Pt.
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Die
freie Schicht ist so ausgelegt, dass die Magnetisierung in Richtung
der leichten Achse (EA) bevorzugt wird. Es gibt zwei mögliche Magnetisierungsrichtungen
der freien Schicht entlang dieser leichten Achse, die wiederum die
beiden Zustände der
Speicherzelle festlegen. Im Gegensatz hierzu kann die Referenzschicht
so ausgelegt sein, dass sie nur über
eine einzige bevorzugte Magnetisierungsrichtung verfügt, die
auch als unidirektionale Anisotropierichtung bezeichnet wird und
die parallel zur leichten Achse der freien Schicht verläuft. Die
gewünschte
leichte Achse der freien Schicht wird durch eine Kombination von
Eigenanisotropie, durch Dehnung hervorgerufene Anisotropie und Formanisotropie
der MTJ bestimmt. Die abgebildete MTJ und die freie Schicht können in
Form eines Rechtecks mit einer Länge
L und einer Breite W hergestellt werden, wobei L größer als
W ist (1b). Das magnetische Moment
der freien Schicht bevorzugt eine Ausrichtung entlang der L-Richtung.
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Die
Richtung der unidirektionalen Anisotropie der Referenzschicht wird
vorgegeben, indem die Fe-Mn-Schicht (AF) 18 auf der ersten
ferromagnetischen Schicht 16 wächst, die wiederum auf der
Schablonenschicht 15, z.B. aus Pt, Cu oder Ta, wächst. Durch
die Schablonenschicht 15 entsteht eine kristallografische
{111}-Textur in der ersten ferromagnetischen Schicht 16.
Diese Schichten werden in einem Magnetfeld aufgebracht, das parallel
zu der gewünschten
leichten Achse der freien Schicht ausgerichtet ist, wodurch die
gewünschte
unidirektionale Eigenanisotropierichtung der Referenzschicht erzeugt
wird. Alternativ hierzu kann die AF-Schicht auch in einem ausreichend großen Magnetfeld
parallel zur leichten Achse auf die Schablonenschicht aufgebracht
werden, während
das Substrat auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als
die Sperrtemperatur des AF-Materials ist. Bei dieser Alternative
ist die erste ferromagnetische Schicht 16 nicht erforderlich.
Es ist außerdem
möglich,
die Magnetostriktion der festen Schicht zu nutzen, um während der
Bearbeitung eine magnetische Anisotropie zu entwickeln, welche die
Magnetisierung während
der Aufbringung entlang des angelegten Magnetfelds ausrichtet.
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Aufgrund
der Austauschkopplung zwischen der Referenz- und der AF-Schicht
lässt sich
die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht weniger leicht ändern als
die der freien Schicht. Bei den Feldern, die von den Strömen durch
die Bit- und Wortleitungen
angelegt werden, ist die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht
bei dieser Ausführungsform
fest bzw. fixiert. Die Formanisotropie der Referenzschicht, die
der Formanisotropie der MTJ folgt, bringt eine zusätzliche
Stabilität
der Magnetisierungsrichtung der festen Schicht mit sich. Die Magnetfelder,
die angelegt werden, um in die Speicherzelle zu schreiben, sind
groß genug,
um die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht umzukehren, nicht
jedoch diejenige der Referenzschicht. Somit kommt es während des
Betriebs der Speicherzellen der MRAM-Zelle nicht zu einer Änderung
bei der Magnetisierungsrichtung der festen Schicht.
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Wenn
während
des Betriebs der Anordnung ein ausreichend großer Strom durch eine Schreib- und
eine Bitleitung der MRAM-Zelle fließt, dreht das Eigenfeld des
kombinierten Stroms am Kreuzungspunkt der Schreib- und Bitleitungen
die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht der betreffenden MTJ
am Kreuzungspunkt der stromdurchflossenen Schreib- und Bitleitungen.
Die Stromwerte sind so ausgelegt, dass das kombinierte Eigenfeld über dem Umschaltfeld
der freien Schicht liegt. Dieses Eigenfeld ist so ausgelegt, dass
es sehr viel kleiner ist als das Feld, das für die Drehung der Magnetisierungsrichtung
der Referenzschicht benötigt
wird. Die Architektur der Zellenanordnung ist so ausgelegt, dass
die Schreibströme
nicht durch die eigentliche MTJ fließen. Die Speicherzelle wird
ausgelesen, indem ein Lesestrom von der Referenzschicht durch die
Tunnelbarriere zur freien Schicht (oder umgekehrt) senkrecht durch
die Diode und die MTJ geführt
wird. Da der Widerstand der Al2O3-Tunnelbarriere stark von der Dicke der
Al2O3-Schicht abhängt und
sich annähernd
exponentiell zur Dicke dieser Schicht ändert, bedeutet dies, dass
der Strom im Wesentlichen senkrecht durch die Al2O3-Tunnelbarriere fließt. Die Wahrscheinlichkeit,
dass ein Ladungsträger
die Barriere durchtunnelt, fällt
mit zunehmender Al2O3-Dicke
stark ab, so dass eine Tunnelung von Ladungsträgern möglich ist, die senkrecht zur
Grenzschicht fließen. Der
Zustand der Speicherzelle wird ermittelt, indem ihr Widerstand gemessen
wird, wenn ein Lesestrom, der sehr viel kleiner als die Schreibströme ist,
senkrecht durch die MTJ fließt.
Das Eigenfeld dieses Abtast- oder Lesestroms ist vernachlässigbar
und hat keine Auswirkung auf den magnetischen Zustand der Speicherzelle.
Die Wahrscheinlichkeit eines Durchgangs von Ladungsträgern durch
die Tunnelbarriere ist abhängig
von der relativen Ausrichtung der Magnetmomente der freien und der
Referenzschicht. Der Tunnelstrom ist spinpolarisiert, d.h., der
von einer der ferromagnetischen Schichten, z.B. der festen Schicht,
fließende
Strom besteht überwiegend
aus Elektronen eines einzigen Spintyps (Spin nach oben oder nach
unten, abhängig
von der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht).
Das Ausmaß der
Spinpolarisierung des Stroms wird durch die elektronische Bandstruktur
des magnetischen Materials bestimmt, aus dem die ferromagnetische Schicht
an ihrer Schnittstelle mit der Tunnelbarriere besteht. Somit dient
die erste ferromagnetische Tunnelbarrierenschicht als Spinfilter.
Die Durchtunnelungswahrscheinlichkeit der Ladungsträger ist
davon abhängig,
ob elektronische Zustände
vorhanden sind, welche dieselbe Spinpolarisierung aufweisen wie
der Strom, der in der zweiten ferromagnetischen Schicht fließt. Wenn
das Magnetmoment der zweiten ferromagnetischen Schicht parallel
zu dem Magnetmoment der ersten ferromagnetischen Schicht ist, liegen
in der Regel mehr elektronische Zustände vor, als wenn das Magnetmoment
der zweiten ferromagnetischen Schicht antiparallel zu demjenigen
der ersten ferromagnetischen Schicht ist. Daher ist die Tunnelwahrscheinlichkeit
der Ladungsträger
am höchsten,
wenn die Magnetmomente beider Schichten parallel sind, und am niedrigsten,
wenn die Magnetmomente antiparallel sind. Wenn die Magnetmomente weder
parallel noch antiparallel sind, ergibt sich ein mittlerer Wert
für die
Tunnelwahrscheinlichkeit. Somit ist der elektrische Widerstand der
Zelle sowohl von der Spinpolarisierung des Stroms als auch von den elektronischen
Zuständen
der beiden ferromagnetischen Schichten abhängig. Als Ergebnis legen die beiden
möglichen
Magnetisierungsrichtungen der freien Schicht zwei mögliche Bitzustände (0 oder
1) der Speicherzelle fest.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform wird
zunächst
eine Art der Anregungsasymmetrie, d.h. eine außeraxiale Vormagnetisierung,
betrachtet. Dabei werden mit Blick auf die 5, 6a, 7 sowie 8a und 8b experimentell
und durch Simulationen erzielte Asymmetrie-Ergebnisse dargestellt,
die unter Verwendung eines fortlaufend veränderten Magnetfelds der leichten
Achse und eines konstanten, senkrecht dazu verlaufenden Magnetfelds
der harten Achse gewonnen wurden. 5 ist eine
Draufsicht einer symmetrisch geformten Grenzschicht, die zur Überprüfung dieser
Technik dient. Gemäß der vorliegenden
Erfindung und mit Bezug auf das Zeitablaufdiagramm aus 6a wird
nun der Magnetfeldwert 210 der leichten Achse entlang der Steigung 215 von
einem neutralen auf einen positiven (koerzitiven) Wert durchlaufen,
wodurch die Magnetisierung gedreht wird. Das Magnetfeld 220 der harten
Achse wird während
dieser Durchlauf-Zeitspanne konstant gehalten 225. Somit
wird eine außeraxiale
Vormagnetisierung bereitgestellt, um die Magnetisierung zu drehen
und damit einen Zustand in die Zelle zu schreiben.
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7 ist
eine Anordnung von Hystereseschleifen, die für 14 ähnlich geformte
Grenzschichten gemessen wurden, wobei die jeweiligen Werte für die Vormagnetisierung
der harten Achse, Hh, von 0 bis +/– 50 Oe variiert wurden. Jede
Zelle bestand aus einem 2,7 μm
mal 1,2 μm
großen
Sechseck (z.B. 5), dessen leichte Achse parallel
zu seiner längeren
Seite verlief. Die angelegten Felder der leichten Achse (He) reichten
nicht aus, um die Magnetisierung der darunter liegenden Referenzschicht
zu drehen, und die positiven Werte der Magnetfelder der leichten
Achse richteten die freie und die Referenzschicht antiparallel aus,
so dass sich ein höherer
Widerstand (MR%) ergab.
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Für eine Vormagnetisierung
der harten Achse Hh von 0 Oe bis +/– 10 Oe lassen sich erhebliche Schwierigkeiten
feststellen, zu denen die fehlende Ähnlichkeit der Schleifen für die unterschiedlichen Zellen
und das Fehlen eines identifizierbaren Schleifenbereichs (358, 356)
gehören.
Bei einer Vormagnetisierung der harten Achse Hh von +/– 20 Oe
lässt sich
eine merkliche Verbesserung beobachten, wobei für diese Vormagnetisierung der
harten Achse ein zufrieden stellender Schleifenbereich 354 erkennbar ist.
Weitere Steigerungen der Vormagnetisierung der harten Achse führen zu
gleichmäßigeren
Schleifen mit einer einheitlicheren Form, die jedoch zu Lasten der
quadratischen Form und des Schleifenbereichs (350, 352)
gehen.
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Zusätzlich zu
diesen Messungen wurde auch die Reaktion einer ansonsten symmetrischen
Grenzschicht auf eine Anregungsasymmetrie unter Verwendung der Vormagnetisierung
der harten Achse aus 6a simuliert. Die Simulationsergebnisse
für eine
1 × 0,5 μm große Probe
aus Permalloyschichten mit einer Dicke von je 70 Ångström sind in
den 8a und 8b für eine Vormagnetisierung
der harten Achse von 20 bzw. 70 Oe dargestellt. Die Betrachtung
der mikromagnetischen Struktur eines jeden Falls ergab, dass sich
eine Wandstruktur ohne externe Vormagnetisierung gebildet hatte,
dass jedoch bei einer Vormagnetisierung von 20 Oe und mehr die Drehung
der Magnetisierung, die bei der Umkehrung des Vormagnetisierungsfelds
auftrat, antisymmetrisch und ohne nachteilige mikromagnetische Strukturen
war und dass sich somit gleichmäßige Hystereseschleifen
gebildet hatten.
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Die
Anregungsasymmetrie der vorliegenden Ausführungsform lässt sich
auch während
des Betriebs erzielen, indem die Größe des Magnetfelds der leichten
Achse und auch die Größe des Magnetfelds der
harten Achse fortlaufend verändert
wurden. Dieses Verfahren ist in 6b dargestellt,
wobei gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung das Feld 230 der leichten Achse
von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert geändert 235 wird. Gleichzeitig
wird auch das Magnetfeld 240 der harten Achse geändert 245,
allerdings in einem niedrig angesiedelten Wertebereich, z.B. 10
% des Werts für
die leichte Achse. Der sich daraus ergebende Winkel der angelegten
Magnetfelder muss ausreichend sein, damit bei der Feldstärke, bei
der sich eine klare Symmetrie der Magnetisierung einstellt, das
Magnetfeld der harten Achse über
eine ausreichende Komponente verfügt, um eine asymmetrische Herausbildung
der Struktur sicherzustellen. Die Erfinder haben festgestellt, dass
eine Abweichung von der Achse von 5 bis 10 Grad für die von
ihnen untersuchten Zellen angemessen ist. Die 10-prozentige Abweichung
der Amplituden aus 6b führt zu einem Winkel Arctan (0,1/1,0)
bzw. zu einem Winkel im Bogenmaß von rund
5,7 Grad mit Bezug auf die leichte Achse.
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Der
Fachmann kennt weitere Arten der Anregungsasymmetrie, die von der
Form der Grenzschicht usw. abhängig
sind. Im Allgemeinen beinhaltet die Anregungsasymmetrie der vorliegenden
Ausführungsform
eine jede vorgegebene Änderung
der Amplitude und/oder der Zeitsteuerung der angelegten Magnetfelder
der leichten und harten Achsen, um damit die Entstehung eines vorhersagbaren
Magnetisierungsmusters in der Zelle hervorzurufen.
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Neben
den oben erläuterten
Arten der Anregungsasymmetrie, d.h. dem Ändern der Amplitude und/oder
der Zeitsteuerung der angelegten Magnetfelder der leichten und harten
Achsen, kann die Asymmetrie auch physisch in der Grenzschicht angelegt
sein. Diese Technik erfordert, dass die Grenzschichteigenschaften
so ausgelegt werden, dass sie eine Art der physischen Asymmetrie
von Form und/oder Magnetfeld beinhalten.
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Gemäß den grundlegenden
Merkmalen der vorliegenden Ausführungsform
und wie aus der Draufsicht einer Grenzschicht in 9 hervorgeht, lässt sich
ein asymmetrischer Aufbau einer Zelle um eine leichte Achse EA erzwingen,
bei dem die Form der Zelle selbst zu einem nichtrechtwinkligen Parallelogramm
verzerrt ist. Simulationen, die für diesen Strukturtyp unter
Verwendung eines in der Größe fortlaufend
veränderten
Magnetfelds der leichte Achse und ohne Vormagnetisierungsfeld der
harten Achse durchgeführt
wurden, zeigten eine starke Bevorzugung der asymmetrischen Magnetisierung,
die der Form der Einheit entspricht, und ergaben somit eine entsprechend
gut ausgeformte Hystereseschleife.
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Eine
weitere Technik zur Erzwingung einer asymmetrischen Zellenanordnung
ist in 10 dargestellt. Wie weiter oben
bereits erläutert,
befinden sich Magnetspeicherzellen üblicherweise an den Kreuzungspunkten
der Wortleitungen 701, 702 und 703 mit
den Bitleitungen 704, 705 und 706. Die
Zelle 709 am Kreuzungspunkt von Wortleitung 701 und
Bitleitung 706 ist in einem Winkel zu dem Magnetfeld angeordnet,
das durch die Bitleitung angelegt wird, so dass ihre leichte Achse
(entlang ihrer Längsseite) einen
Winkel (z.B. von 5 bis 10 Grad) zu dem angelegten, änderbaren
Schreib-Magnetfeld der Bitleitung 706 bildet. Die Zelle
weicht somit um beispielsweise 5 bis 10 Grad von der Senkrechten
zur Bitleitung 706, die das änderbare Schreib-Magnetfeld
bereitstellt, ab.
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Bei
einer weiteren Technik zur Erzwingung der physischen Asymmetrie
der vorliegenden Ausführungsform
kann einer ansonsten symmetrischen Grenzschicht eine innewohnende
magnetische Anisotropie aufgezwungen werden, welche die magnetische
Symmetrie der Grenzschicht aufhebt und eine Art von magnetischer
Asymmetrie bereitstellt, die Ähnlichkeit
mit den oben erläuterten
Asymmetriearten aufweist, ohne dass jedoch die tatsächliche
Anordnung der Zelle verformt werden muss.
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Alternativ
kann die magnetische Symmetrie mit einer Vormagnetisierung aufgehoben
werden.
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So
kann z.B. mit Blick auf die 11a und 11b eine Zelle 809, die ansonsten symmetrisch um
ihre leichte Achse geformt ist, einer innewohnenden Vormagnetisierung 850 ausgesetzt
werden, um so an ihren Ecken eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung
aufrechtzuerhalten. Diese Vormagnetisierung kann entlang der senkrecht
verlaufenden harten Achse erfolgen.
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Mit
Blick auf die Schnittansicht in 11b kann
diese innewohnende Vormagnetisierung durch eine Vormagnetisierungsschicht 826 bereitgestellt werden,
die von dem änderbaren
Bereich 824, der Tunnelschicht 822 und der Referenzschicht 820 durch
eine optionale Leiterschicht 825 getrennt ist.
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Mit
Blick auf die 12a und 12b können ebenfalls
zwei entsprechende Magnetisierungsrichtungen entlang der leichten
Achse (EA) erzwungen werden (zwar nicht direkt entgegengesetzt,
aber in einem Winkel von circa 45 Grad zur leichten Achse), wobei
jedoch die Vormagnetisierung 850 die Ecken 860 der
quadratischen Zelle fixiert, wodurch die Umkehrung der Magnetisierungsrichtung
der Zelle unterstützt
wird. Die Vormagnetisierung 850 stellt eine magnetische
Asymmetrie um die leichte Achse bereit, die ihrerseits wiederum
die Richtungsumkehr fördert,
ohne dass sich nachteilige mikromagnetische Strukturen in der Zelle
bilden.
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Indem
eine symmetrische Form beibehalten wird, während gleichzeitig eine magnetische
Asymmetrie erzwungen wird, wird die Dichte der Zellen in einer Anordnung
nicht nachteilig beeinflusst.
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Die
gleichen Techniken zur Formung der Zellen, wie sie in den erwähnten US-Patentschriften
beschrieben werden, können
auch zur Formung der physisch asymmetrischen Zellen der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, indem der Zellenaufbau verzerrt wird und/oder
während
des geeigneten Schritts der Bearbeitung eine innewohnende magnetische
Anisotropie vorgesehen wird. Auf diese Weise bezieht sich die vorliegende
Erfindung auch auf die Herstellung der oben erläuterten Zellen mit physischer
Asymmetrie.
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Der
Fachmann weiß,
dass eine beliebige Verknüpfung
der obigen Techniken für
die Anregungs- und die physische Asymmetrie dazu dienen kann, die
Herausbildung einwandfreier Magnetisierungsmuster sicherzustellen.
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Aus
den 13 und 14 werden
die Vorteile der Asymmetrie deutlich, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform
bereitgestellt wird. Die Berechnung der Energie für einen
symmetrischen und zwei asymmetrische einfache Zustände, wie
sie üblicherweise
beobachtbar sind, erfolgte für
eine Hystereseschleife, die aus einem stark magnetisierten Zustand
heraus initiiert wurde. Die Energieberechnung für eine symmetrische Grenzschicht
mit den asymmetrischen Zuständen 1001, 1002 sowie
dem asymmetrischen Zustand 1003 ist in 7 dargestellt.
Die Energie dieser Zustände
wird gegenüber
dem Winkel (in Grad) abgetragen, um den das angelegte Magnetfeld
von der leichten Achse abweicht. Für eine angelegte Vormagnetisierung
von Null zeigen die Energiewerte der asymmetrischen Grenzschicht
aus 14, dass die Energien der drei Zustände klar voneinander
unterscheiden und dass insbesondere ein asymmetrischer Zustand 2002 bevorzugt
auftritt. Im Gegensatz hierzu gibt es bei der symmetrischen Grenzschicht
aus 7 bei einer angelegten Vormagnetisierung von Null
für keinen
der drei möglichen Zustände der
Grenzschicht einen Unterschied bei den Energiewerten, was zu einer
Mehrdeutigkeit des bevorzugt auftretenden mikromagnetischen Zustands
führt.
Daraus wird deutlich, dass die asymmetrische Änderung der Grenzschichtform
die Entstehung eines vorhersagbaren Magnetisierungsmusters fördert.
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Die
grundlegenden Merkmale der vorliegenden Ausführungsform können für sich genommen oder
gemeinsam mit anderen Merkmalen verwendet werden, die in den oben
erwähnten,
gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldungen beschrieben werden.
So kann beispielsweise ein Ansatz mit mehreren Grenzschichten kombiniert
werden, wie dies in der oben erwähnten
US-Patentanmeldung
mit dem Titel „MAGNETIC
MEMORY DEVICES HAVING MULTIPLE MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS THEREIN" beschrieben wird,
auf die hier verwiesen wird.. Indem die Wechselwirkung des magnetischen
Widerstands auf einen bevorzugten Bereich des/der änderbaren
Magnetbereichs/-bereiche beschränkt
wird, lassen sich außerdem
in Übereinstimmung
mit den grundlegenden Merkmalen der oben erwähnten US-Patentanmeldung mit
dem Titel „LIMITING
MAGNETORESISTIVE ELECTRICAL INTERACTION TO A PREFERRED PORTION OF
A CHANGEABLE MAGNETIC REGION IN MAGNETIC DEVICES", auf die hier verwiesen wird, verbesserte
Hystereseschleifen erzielen. Darüber
hinaus können
die Schreib-Magnetfelder in Übereinstimmung
mit den grundlegenden Merkmalen der oben erwähnten US-Patentanmeldung mit
dem Titel „LIMITING
MAGNETIC WRITING FIELDS TO A PREFERRED PORTION OF A CHANGEABLE MAGNETIC
REGION IN MAGNETIC DEVICES",
auf die hier verwiesen wird, auf einen bevorzugten Bereich des/der änderbaren Magnetbereichs/-bereiche
beschränkt
werden.
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Zusammenfassend
werden Magnetspeicherzellen beschrieben, die einen änderbaren
Magnetbereich mit einer Magnetachse beinhalten, entlang derer zwei
Magnetisierungsrichtungen erzeugt werden können, wodurch zwei entsprechende
Zustände
bereitgestellt werden, in welche die Zellen in Abhängigkeit
von den an ihnen erfolgten magnetischen Anregungen wechseln können. Die
beschriebene Asymmetrie der magnetischen Anregungen, die an der
Zelle erfolgen, während
ein Zustand in die Zelle geschrieben wird, sorgt für die Entstehung
eines vorhersagbaren Magnetisierungsmusters, das von der ersten
in die zweite Richtung wechselt. Daneben wird die physische Asymmetrie
von Aufbau und/oder Magnetisierung der Zelle beschrieben, wodurch
die Herausbildung eines vorhersagbaren Musters erreicht wird. Diese
Grundsätze
sind auf magnetische Direktzugriffsspeicher-Anordnungen (MRAM-Anordnungen)
anwendbar, die magnetische Grenzschicht-Zellen mit Tunneleffekt
(MTJ-Zellen) an den Kreuzungspunkten von Bit- und Wortleitungen
verwenden, welche die elektrischen und die sich daraus ergebenden magnetischen
Anregungen bereitstellen, um in die Zellen zu schreiben.
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Obwohl
die Erfindung mit Blick auf ihre bevorzugte(n) Ausführungsform(en)
dargestellt und beschrieben wurde, weiß der Fachmann, dass verschiedene Änderungen
an Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne dass dies den Geltungsumfang
der Erfindung berühren
würde.