WO2001018816A1 - Speicherzellenanordnung und verfahren zu deren betrieb - Google Patents

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WO2001018816A1
WO2001018816A1 PCT/DE2000/003017 DE0003017W WO0118816A1 WO 2001018816 A1 WO2001018816 A1 WO 2001018816A1 DE 0003017 W DE0003017 W DE 0003017W WO 0118816 A1 WO0118816 A1 WO 0118816A1
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memory cell
lines
magnetoresistive elements
layer element
ferromagnetic layer
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PCT/DE2000/003017
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Siegfried Schwarzl
Stefan Miethaner
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Infineon Technologies Ag
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
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    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect

Definitions

  • non-volatile read / write memories memory cell arrangements are increasingly being investigated in which magnetoresistive elements are used for information storage.
  • a magnetoresistive element also called a magnetoresistive element, is understood to mean a structure which has at least two ferromagnetic layers and a non-magnetic layer arranged between them.
  • GMR element a magnetoresistive element
  • TMR element a magnetoresistive element
  • CMR element a distinction is made between GMR element, TMR element and CMR element (see S. Mengel, Technology Analysis Magnetisumus, Volume 2, XMR Technologies, publisher VDI Technology Center Physical Technologies, August 1997).
  • GMR element is used for layer structures which have at least two ferromagnetic layers and a non-magnetic, conductive layer arranged between them and which show the so-called GMR (giant magnetoresistance) effect.
  • GMR effect means that the electrical resistance of the GMR element depends on whether the magnetizations in the two ferromagnetic layers are aligned parallel or antiparallel to one another.
  • the GMR effect is large compared to the so-called AMR (anisotropic magnetoresistance) effect.
  • the AMR effect is understood to mean the fact that the resistance in magnetized conductors is different in parallel and perpendicular to the direction of magnetization.
  • the AMR effect is a volume effect that occurs in ferromagnetic single layers.
  • TMR element is used in the technical field for "tunneling magnetoresistance" layer structures, which have at least two ferromagnetic layers and an insulating non-magnetic layer arranged between them.
  • the insulating layer is so thin that there is a tunnel current between the two ferro-magnetic layers.
  • These layer structures also show a magnetoresistive effect, which is brought about by a spin-polarized tunnel current through the insulating, non-magnetic layer arranged between the two ferromagnetic layers.
  • the electrical resistance of the TMR element depends on whether the magnetizations in the two ferromagnetic layers are aligned parallel or antiparallel to one another. The relative change in resistance is about 6 to 40 percent at room temperature.
  • GMR elements to be used as memory elements in a memory cell arrangement.
  • the memory elements are connected in series via read lines.
  • word lines which are insulated both from the read lines and from the memory elements. Due to the current flowing in each word line, signals applied to the word lines cause a magnetic field which, with sufficient strength, influences the magnetization of the memory elements located thereunder.
  • x / y lines are used which cross at the memory cell to be written. Signals are applied to them that cause a magnetic field sufficient for magnetization at the crossing point.
  • the direction of magnetization in one of the two ferromagnetic layers is reversed.
  • the direction of magnetization in the other of the two ferromagnetic layers remains unchanged. Maintaining the magnetization direction in the latter ferromagnetic Layer takes place through an adjacent antiferromagnetic layer, which holds the direction of magnetization, or by increasing the switching threshold of the ferromagnetic layer by means of a different material or dimensioning, for example a different layer thickness, compared to the ferromagnetic layer mentioned first.
  • a pulsed signal is applied to the word line, by means of which the relevant memory cell is switched back and forth between the two magnetization states. The current through the bit line is measured, from which the resistance value of the corresponding memory element is determined.
  • a magnetoresistive memory cell arrangement is known from US Pat. No. 5,173,873, in which transistors are provided for the selection of memory cells to be read out.
  • a storage row arrangement is known from US Pat. No. 5,640,343, in which TMR elements connected in series are used as storage elements with a diode.
  • the diode is used to read out the information from the individual memory cells.
  • the invention is based on the problem of specifying a memory cell arrangement with magnetoresistive elements which, with a high packing density and low process engineering expenditure, enable the stored information to be read out reliably.
  • the memory cell arrangement has memory cells, each memory cell containing two magnetoresistive elements. TMR elements or GMR elements are preferably used as magnetoresistive elements, since at room temperature these show sufficiently large changes in resistance when remagnetized and at the same time can be remagnetized with acceptable magnetic fields.
  • this memory cell arrangement enables data to be stored in the sense of a multi-level logic, that is to say four different states are possible in a memory cell with respect to the resistance values of the magnetoresistive elements, which can be assigned to four different logic values. This enables an increased storage density and thus packing density to be achieved.
  • the magnetoresistive elements in each memory cell can be magnetized such that they always have different resistance values. In this case, two different states are possible for each memory cell, which can be assigned to two logical values.
  • This configuration of the memory row arrangement can be read out with a reduced number of circuits, so that the memory cell arrangement can be produced with a reduced space requirement and enables greater security when reading out.
  • the magnetoresistive elements of a memory cell are preferably each connected between a voltage level and a signal line, the amount of the voltage being the same for both magnetoresistive elements, but having different polarity.
  • the signal line is the same for both magnetoresistive elements.
  • the signal line evaluates whether the voltage drop there is greater or less than zero.
  • a simple bridge circuit is therefore sufficient for reading out the information. It is advantageous to arrange the magnetoresistive elements of a memory cell adjacent to one another. In this way, technology-related property inhomogeneities of the magnetoresistive elements, which are based on systematic process inhomogeneities, in particular in the case of deposition, lithography, etching, etc., have no influence on the evaluation signal. Furthermore, the external wiring that is required for the bridge circuit is symmetrical.
  • Non-switching reading which is quicker and easier to implement than switching reading, means the fact that the currents in the interconnect grid are subcritical during the reading process, that is to say the switching thresholds for the magnetization of the memory elements are not reached.
  • the memory cell states remain unchanged, so that a time-consuming re-reading of the original memory information after reading is not necessary.
  • the different logical states which are assigned to zero and one, are recognized via the different sign of the read signal.
  • signals with different signs can be easily distinguished.
  • the memory cell arrangement can therefore be read out with a high level of evaluation reliability.
  • first and second lines With regard to a large-area memory cell arrangement, it is advantageous to provide first and second lines.
  • the first lines run parallel to one another and the second lines run parallel to one another.
  • the first lines cross the second lines.
  • the magnetoresistive elements are each connected between one of the first lines and one of the second lines.
  • the magnetoresistive elements of one of the memory cells are each connected to two different first lines and the same second line.
  • For reading out the data stored in the memory cell For information, voltage levels are applied to the first two lines which are equal in magnitude but have opposite polarity, the remaining first lines are connected to reference potential, in particular earth.
  • the signal is evaluated on the second line, which is connected to the magnetoresistive elements of the selected memory cell.
  • the voltage signal generated on the second line has different polarities depending on the stored information.
  • the signal level depends on the magnetoresistive values of the magnetoresistive elements, on the voltage levels applied to the first lines and on the number of first lines present. The level of the signal decreases with an
  • the current follower has a feedback operational amplifier, the inverting input of which is connected to the respective second line.
  • the non-inverting input is connected to earth potential. This regulates the potential on the second line to zero.
  • a signal is present at the output of the operational amplifier, from which the polarity of the output signal of the memory array can be read.
  • the magnetoresistive elements preferably each have at least a first ferromagnetic layer element, a non-magnetic layer element and a second ferromagnetic layer element, the non-magnetic layer element being arranged between the first ferromagnetic layer element and the second ferromagnetic layer element.
  • the magnetizations in the first ferromagnetic layer element and the second ferromagnetic layer element are aligned parallel to one another in one of the magnetoresistive elements, while in FIG the other of the magnetoresistive elements, the magnetizations in the first ferromagnetic layer element and the second ferromagnetic layer element are aligned antiparallel to one another.
  • the first ferromagnetic layer element and the second ferromagnetic layer element contain at least one of the materials Fe, Ni, Co, Cr, Mn, Bi, Gd and / or Dy and that they each have a thickness perpendicular to the layer plane have between 2 and 20 nm.
  • the non-magnetic layer element contains Al2O3, NiO, HfO2, TiO2, NbO, SiO2, Cu, Au, Ag and / or Al and has a thickness perpendicular to the layer plane between 1 nm and 5 nm.
  • Figure 1 shows a view of a memory cell arrangement
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of the memory cell arrangement according to the invention, on the basis of which the readout process is explained.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a memory cell to be read out.
  • FIG. 4 shows an alternative circuit for reading out the memory cell arrangement.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram by means of which the writing of information is explained.
  • a magnetoresistive element MRij is arranged at each of the intersections between one of the first lines LIi and one of the second lines LIIj and is connected between the relevant lines.
  • Each of the magnetoresistive elements MRij comprises a first ferromagnetic layer element FM1, a non-magnetic layer element NM and a second ferromagnetic layer element FM2.
  • the first ferromagnetic layer element FM1 comprises CoFe and has a thickness of 2 to 10 nm.
  • the magnetization of this layer element can be held in a certain direction by an underlying antiferromagnetic layer made of, for example, FeMn or InMn.
  • the non-magnetic layer element NM contains Al2O3 and has a thickness of 0.5 to 3 nm.
  • the second ferromagnetic layer element FM2 contains NiFe and has a layer thickness of 2 to 8 nm.
  • the first ferromagnetic layer element FM1 has a greater magnetic hardness than the second ferromagnetic layer element FM2 due to its material composition.
  • Two adjacent magnetoresistive elements MRij, MRi + lj connected to different first lines LIi, LIi + 1 form a memory cell Sii + lj.
  • the memory cells Sii + lj are marked in FIG. 1 by dashed lines.
  • the two magnetoresistive elements MRij, MRi + lj of a memory cell Sii + lj are connected to the same second line LIIj.
  • the magnetizations of the ferromagnetic layer elements FM1, FM2 in the magnetoresistive elements MRij, MRi + lj of one and the same memory cell Sii + lj are aligned such that in one of the magnetoresistive elements MRij, MRi + lj the magnetization directions in the first ferromagnetic element FMl and the second ferromagnetic element FM2 are aligned parallel to each other and in the other antiparallel to each other.
  • the magnetizations in the first ferromagnetic elements FM1 are also uniformly aligned in one direction (parallel to the lines LIIj in FIG. 1).
  • the magnetoresistive elements MRij, MRi + lj of one and the same memory cell Sii + lj have different resistance values.
  • Digital information with two logical values is stored in the memory cells Sii + lj by arranging the different resistance values, that is to say in that the magnetoresistive element MRij has the smaller and the magnetoresistive element MRi + lj has the larger resistance value, or in that the magnetoresistive element MRij has the larger and the magnetoresistive element MRi + lj the smaller of the resistance values.
  • the magnetizations in the first and second ferromagnetic elements can all be directed parallel to the first lines LIi or parallel to the second lines LIIj, as shown in FIG. 1.
  • the memory cell arrangement represents a resistance matrix.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of this resistance matrix, in which the magnetoresistive elements MRij are characterized by their resistance Rj_j.
  • the associated first lines LIi, LIi + 1 are supplied with voltage levels that are different from zero.
  • the first line LIi is supplied with - U / 2 and the first line LIi + 1 with + U / 2.
  • the rest of Most lines LIx with x ⁇ i, i + 1 are connected to ground potential (potential O).
  • An output signal is evaluated on the second line LIIj, which is connected to the resistors Rj_ j and Ri + i j of the memory cell Sii + lj.
  • the center contact of the voltage source which supplies the voltages - U / 2 and + U / 2, is also at ground potential.
  • the level Uj of the signal tapped on the second line LIIj can be estimated as follows: The resistances Rxj with x ⁇ i, i + 1, on the one hand over the first
  • R Q is the smaller and RQ + ⁇ R the larger of the two resistance values that the magnetoresistive elements MRij can assume.
  • the lower value for Rj applies in the event that all resistors assume the value R 0 .
  • the upper limit applies in the event that all resistors assume R 0 + ⁇ R.
  • the level U j of the signal can assume the values + Uj 0 or - U j0 depending on the stored logical information.
  • the second line LIIj determines whether the level is greater or less than zero.
  • This evaluation is preferably carried out by a bistable circuit, for example a Schmitt trigger or a differential amplifier with high amplification.
  • the amount of the amount Uj 0 is inversely proportional to the number m of the first lines LIi.
  • the signal level therefore decreases with an increasing number m of the first lines LIi.
  • the second lines LIIj are each connected to the inverting input of an operational amplifier OPj fed back via the resistor Rkj (see FIG. 4).
  • the non-inverting input of the operational amplifier OPj is connected to ground.
  • a signal Uj ' is tapped, the signal level Uj 0 ' of which is independent of the number of first lines Lim. The following applies to the amount Uj 0 '
  • the first line LIi is supplied with a positive current + I w and the first line LIi + 1 with a negative current - I w (see FIG. 5).
  • the currents are equal in amount. These currents can flow from a common current source, provided the first lines LIi, LIi + 1 are connected to one another via a switch S.
  • the associated second line LIIj is acted upon a current Ig.
  • the currents I ß and I w cause at the points of intersection between the first lines LIi, LIi + 1 and the second LIIj, at which the magnetoresistive elements MRij, MRi + lj with the resistors R ⁇ j, Ri + i .
  • the magnetizations in the first ferromagnetic layer elements FM1 which are magnetically harder due to their material selection, remain unchanged (see FIG. 5).
  • the currents I w and I ß are to be selected so that the resulting magnetic fields at the location of the resistors Rij, Ri + ⁇ exceed the switching thresholds of the second ferromagnetic layer elements FM2.
  • the information to be written is determined by the direction of the current I w .
  • the second lines LIIj act as signal lines.
  • the first lines LIi can each be used as word lines, the second lines LIIj can be used as bit lines. Alternatively, it is possible to use the first lines LIi as bit lines and the second lines LIIj as bit lines.

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Abstract

Eine Speicherzellenanordnung weist Speicherzellen auf, die jeweils zwei magnetoresistive Elemente enthalten. Wenn die magnetoresistiven Elemente jeder Speicherzelle so magnetisiert sind, daß sie unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, läßt sich die in der Speicherzelle gespeicherte Information über eine Widerstandshalbbrückenschaltung dadurch bestimmen, daß an einem Ausgang bewertet wird, ob das dort abgegriffene Signal größer oder kleiner Null ist.

Description

Beschreibung
Speicherzellenanordnung und Verfahren zu deren Betrieb.
Im Hinblick auf nichtflüchtige Schreib-/Lesespeicher werden zunehmend Speicherzellenanordnungen untersucht, in denen magnetoresistive Elemente zur Informationsspeicherung Verwendung finden.
Als magnetoresistives Element, auch Magnetowiderstandselement genannt, wird in der Fachwelt eine Struktur verstanden, die mindestens zwei ferromagnetische Schichten und eine dazwischen angeordnete nichtmagnetische Schicht aufweist. Je nach Aufbau der Schichtstruktur wird dabei unterschieden zwischen GMR-Element, TMR-Element und CMR-Element (siehe S. Mengel, Technologieanalyse Magnetisumus, Band 2, XMR-Technologien, Herausgeber VDI Technologiezentrum Physikalische Technologien, August 1997) .
Der Begriff GMR-Element wird für Schichtstrukturen verwendet, die mindestens zwei ferromagnetische Schichten und eine dazwischen angeordnete nichtmagnetische, leitende Schicht aufweisen und den sogenannten GMR (giant magnetoresistance) - Effekt zeigen. Unter dem GMR-Effekt wird die Tatsache ver- standen, daß der elektrische Widerstand des GMR-Elementes abhängig davon ist, ob die Magnetisierungen in den beiden fer- romagnetischen Schichten parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Der GMR-Effekt ist im Vergleich zum sogenannten AMR (anisotropic magnetoresistance) -Effekt groß. Als AMR-Effekt wird die Tatsache verstanden, daß der Widerstand in magnetisierten Leitern parallel und senkrecht zur Magnetisierungsrichtung verschieden ist. Bei dem AMR-Effekt handelt es sich um einen Volumeneffekt, der in ferromagneti- schen Einfachschichten auftritt.
Der Begriff TMR-Element wird in der Fachwelt für "Tunneling Magnetoresistance"-Schichtstrukturen verwendet, die inde- stens zwei ferromagnetische Schichten und eine dazwischen angeordnete isolierende, nichtmagnetische Schicht aufweisen. Die isolierende Schicht ist dabei so dünn, daß es zu einem Tunnelstrom zwischen den beiden ferro agnetischen Schichten kommt. Diese Schichtstrukturen zeigen ebenfalls einen magnetoresistiven Effekt, der durch einen spinpolarisierten Tun- nelstrom durch die zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten angeordnete isolierende, nichtmagnetische Schicht bewirkt wird. Auch in diesem Fall ist der elektrische Wider- stand des TMR-Elementes abhängig davon, ob die Magnetisierungen in den beiden ferromagnetischen Schichten parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Die relative Widerstandsänderung beträgt dabei etwa 6 bis 40 Prozent bei Raumtemperatur .
Es ist vorgeschlagen worden, (siehe zum Beispiel D. D. Tang et al, IEDM 95, Seiten 997 bis 999, J. M. Daughton, Thin Solid Films, Bd. 216 (1992), Seiten 162 bis 168, Z. Wang et al, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Bd. 155 (1996), Seiten 161 bis 163) GMR-Elemente als Speicherelemente in einer Speicherzellenanordnung zu verwenden. Die Speicherelemente werden über Leseleitungen in Reihe verschaltet. Quer dazu verlaufen Wortleitungen, die sowohl gegenüber den Leseleitungen als auch gegenüber den Speicherelementen isoliert sind. An die Wortleitungen angelegte Signale verursachen durch den in jeder Wortleitung fließenden Strom ein Magnetfeld, das bei hinreichender Stärke die Magnetisierungen der darunter befindlichen Speicherelemente beeinflußt. Zum Einschreiben von Information werden x/y-Leitungen verwendet, die sich an der zu beschreibenden Speicherzelle kreuzen. Sie werden mit Signalen beaufschlagt, die am Kreuzungspunkt ein für die Umma- gnetisierung ausreichendes magnetisches Feld verursachen. Dabei wird die Magnetisierungsrichtung in der einen der beiden ferromagnetischen Schichten umgekehrt. Die Magnetisierungs- richtung in der anderen der beiden ferromagnetischen Schichten bleibt dagegen unverändert. Das Festhalten der Magneti- sierungsrichtung in der zuletzt genannten ferromagnetischen Schicht erfolgt durch eine benachbarte antiferromagnetische Schicht, die die Magnetisierungsrichtung festhält, oder dadurch, daß die Schaltschwelle der ferromagnetischen Schicht durch anderes Material oder andere Dimensionierung, zum Bei- spiel andere Schichtdicke, im Vergleich zu der zuerst genannten ferromagnetischen Schicht vergrößert wird. Zum Auslesen der Information wird die Wortleitung mit einem gepulsten Signal beaufschlagt, durch das die betreffende Speicherzelle zwischen den beiden Magnetisierungszuständen hin und herge- schaltet wird. Gemessen wird der Strom durch die Bitleitung, aus dem der Widerstandswert des entsprechenden Speicherelementes ermittelt wird.
Aus US 5 173 873 ist eine magnetoresistive Speicherzellenan- Ordnung bekannt, bei der zur Auswahl auszulesender Speicherzellen Transistoren vorgesehen sind.
Aus US 5 640 343 ist eine SpeicherZeilenanordnung bekannt, in der als Speicherelemente mit einer Diode in Reihe verschalte- te TMR-Elemente verwendet werden. Die Diode dient zum Auslesen der Information der einzelnen Speicherzellen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Speicherzellenanordnung mit magnetoresistiven Elementen anzugeben, die bei hoher Packungsdichte und niedrigem prozeßtechnischen Aufwand ein sicheres Auslesen der gespeicherten Information ermöglichen.
Ferner soll ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Spei- cherzellenanordnung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Speicherzellenanordnung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb gemäß Anspruch 10. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die Speicherzellenanordnung weist Speicherzellen auf, wobei jede Speicherzelle zwei magnetoresistive Elemente enthält. Vorzugsweise werden als magnetoresistive Elemente TMR- Elemente oder GMR-Elemente verwendet, da diese bei Zimmertem- peratur ausreichend große Widerstandsänderungen bei Ummagne- tisierung zeigen und gleichzeitig mit vertretbaren Magnetfeldern ummagnetisierbar sind.
Diese Speicherzellenanordnung ermöglicht einerseits die Spei- cherung von Daten im Sinne einer Multi-Level-Logik, das heißt in einer Speicherzelle sind bezüglich der Widerstandswerte der magnetoresistiven Elemente vier verschiedene Zustände möglich, die vier verschiedenen logischen Werten zugeordnet werden können. Dadurch kann eine erhöhte Speicherdichte und damit Packungsdichte erzielt werden.
Alternativ können die magnetoresistiven Elemente in jeder Speicherzelle so magnetisiert sein, daß sie immer unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. In diesem Fall sind je Speicherzelle zwei unterschiedliche Zustände möglich, die zwei logischen Werten zugeordnet werden können. Diese Ausgestaltung der SpeicherZeilenanordnung ist mit reduziertem Schaltungsauf and auslesbar, so daß die Speicherzellenanordnung mit reduziertem Platzbedarf herstellbar ist und höhere Sicherheit beim Auslesen ermöglicht.
Zum Auslesen dieser SpeicherZellenanordnung werden die magnetoresistiven Elemente einer Speicherzelle vorzugsweise jeweils zwischen einen Spannungspegel und eine Signalleitung geschaltet, wobei der Spannungspegel betragsmäßig für beide magnetoresistive Elemente gleich ist, jedoch unterschiedliche Polarität aufweist. Die Signalleitung ist für beide magnetoresistiven Elemente gleich. An der Signalleitung wird bewertet, ob die dort abfallende Spannung größer oder kleiner Null ist. Zum Auslesen der Information ist somit eine einfache Brückenschaltung ausreichend. Dabei ist es vorteilhaft, die magnetoresistiven Elemente einer Speicherzelle zueinander benachbart anzuordnen. Auf diese Weise werden technologisch bedingte Eigenschaftsinhomogenitäten der magnetoresistiven Elemente, die auf systematischen Prozeßinhomogenitäten insbesondere bei der Abscheidung, Lithographie, Ätzung etc. beruhen, keinen Einfluß auf das Bewertungssignal ausüben. Ferner ist die äußere Beschaltung, die für die Brückenschaltung erforderlich ist, symmetrisch.
Die Speicherzellenanordnung kann sowohl durch schaltendes als auch durch nichtschaltendes Auslesen bewertet werden. Unter nichtschaltendem Auslesen, das schneller und einfacher zu realisieren ist als schaltendes Auslesen, wird die Tatsache verstanden, daß beim Auslesevorgang die Ströme im Leiterbahn- raster unterkritisch sind, das heißt die Schaltschwellen für das Ummagnetisieren der Speicherelemente nicht erreicht werden. Die Speicherzellenzustände bleiben unverändert, so daß ein zeitraubendes Wiedereinlesen der ursprünglichen Speicherinformation nach dem Auslesen nicht erforderlich ist.
In dieser Speicherzellenanordnung werden die verschiedenen logischen Zustände, die Null und Eins zugeordnet werden, über das unterschiedliche Vorzeichen des Lesesignals erkannt. Signale mit unterschiedlichen Vorzeichen sind schaltungstech- nisch einfach zu unterscheiden. Daher ist die Speicherzellenanordnung mit hoher Bewertungssicherheit auszulesen.
Im Hinblick auf eine großflächige Speicherzellenanordnung ist es vorteilhaft, erste und zweite Leitungen vorzusehen. Dabei verlaufen die ersten Leitungen zueinander parallel und die zweiten Leitungen zueinander parallel. Die ersten Leitungen kreuzen die zweiten Leitungen. Die magnetoresistiven Elemente sind jeweils zwischen eine der ersten Leitungen und eine der zweiten Leitungen geschaltet. Dabei sind die magnetoresisti- ven Elemente einer der Speicherzellen jeweils mit zwei verschiedenen ersten Leitungen und derselben zweiten Leitung verbunden. Zum Auslesen der in der Speicherzelle gespeicher- ten Information werden die beiden ersten Leitungen mit Spannungspegeln beaufschlagt, die dem Betrag nach gleich sind, jedoch entgegengesetzte Polarität aufweisen, die übrigen ersten Leitungen werden mit Referenzpotential, insbesondere Er- de, verbunden. An der zweiten Leitung, die mit den magnetoresistiven Elementen der ausgewählten Speicherzelle verbunden ist, wird das Signal bewertet. Das an der zweiten Leitung generierte Spannungssignal weist abhängig von der gespeicherten Information unterschiedliche Polarität auf. Die Signalhöhe ist abhängig von den Magnetowiderstandswerten der magnetoresistiven Elemente, von dem an den ersten Leitungen angelegten Spannungspegeln sowie von der Anzahl der vorhandenen ersten Leitungen. Mit zunehmender Anzahl erster Leitungen sinkt die Pegelhöhe des Signals .
Um den Einfluß der Anzahl der ersten Leitungen auf die Pegelhöhe des Signals zu kompensieren, ist es vorteilhaft, die zweiten Leitungen mit einem Stro folger zu verbinden. Der Stromfolger weist einen rückgekoppelten Operationsverstärker auf, dessen invertierender Eingang mit der jeweiligen zweiten Leitung verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang ist mit Erdpotential verbunden. Dadurch wird an der zweiten Leitung das Potential auf Null geregelt. Am Ausgang des Operationsverstärkers liegt ein Signal an, aus dem die Polarität des Ausgangssignals der SpeicherZeilenanordnung abgelesen werden kann.
Vorzugsweise weisen die magnetoresistiven Elemente jeweils mindestens ein erstes ferromagnetisches Schichtelement, ein nichtmagnetisches Schichtelement und ein zweites ferromagnetisches Schichtelement auf, wobei das nichtmagnetische Schichtelement zwischen dem ersten ferromagnetischen Schichtelement und dem zweiten ferromagnetischen Schichtelement angeordnet ist. Je Speicherzelle sind in einem der magnetoresi- stiven Elemente die Magnetisierungen in dem ersten ferromagnetischen Schichtelement und dem zweiten ferromagnetischen Schichtelement parallel zueinander ausgerichtet, während in dem anderen der magnetoresistiven Elemente die Magnetisierungen in dem ersten ferromagnetischen Schichtelement und dem zweiten ferromagnetischen Schichtelement antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß das erste ferromagneti- sche Schichtelement und das zweite ferromagnetische Schichtelement mindestens eines der Materialien Fe, Ni, Co, Cr, Mn, Bi, Gd und/oder Dy enthalten und daß sie senkrecht zur Schichtebene jeweils eine Dicke zwischen 2 und 20 nm aufweisen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß das nichtmagnetische Schichtelement AI2O3 , NiO, HfO2 , Tiθ2 , NbO, Siθ2, Cu, Au, Ag und/oder Al enthält und senkrecht zur Schichtebene eine Dicke zwischen 1 nm und 5 nm aufweist.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Ansicht einer Speicherzellenanordnung mit
Speicherzellen, die jeweils zwei magnetoresistive
Elemente aufweisen.
Figur 2 zeigt eine Schaltskizze der erfindungsgemäßen Speicherzellenanordnung, anhand der der Auslesevorgang erläutert wird.
Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer auszulesenden Spei- cherzelle.
Figur 4 zeigt eine alternative Beschaltung zum Auslesen der Speicherzellenanordnung .
Figur 5 zeigt eine Schaltskizze, anhand der das Schreiben von Information erläutert wird. Eine Speicherzellenanordnung umfaßt streifenförmige, untereinander parallel verlaufende erste Leitungen LIi, i = 1 ... m. Ferner umfaßt die Speicherzellenanordnung zweite Leitungen LIIj , j = 1 ... n. Die zweiten Leitungen LIIj sind ebenfalls streifenförmig und verlaufen untereinander parallel. Die ersten Leitungen LIi und die zweiten Leitungen LIIj kreuzen einander (siehe Figur 1) .
An den Kreuzungspunkten zwischen einer der ersten Leitungen LIi und einer der zweiten Leitungen LIIj ist jeweils ein magnetoresistives Element MRij angeordnet und zwischen die betreffenden Leitungen geschaltet. Jedes der magnetoresistiven Elemente MRij umfaßt ein erstes ferromagnetisches Schichtelement FM1, ein nichtmagnetisches Schichtelement NM und ein zweites ferromagnetisches Schichtelement FM2. Das erste fer- romagnetische Schichtelement FMl umfaßt CoFe und weist eine Dicke von 2 bis 10 nm auf . Die Magnetisierung dieses Schichtelementes kann durch eine darunterliegende antiferromagneti- sche Schicht aus zum Beispiel FeMn oder InMn in einer be- stimmten Richtung festgehalten werden. Das nichtmagnetische Schichtelement NM enthält AI2O3 und weist eine Dicke von 0,5 bis 3 nm auf . Das zweite ferromagnetische Schichtelement FM2 enthält NiFe und weist eine Schichtdicke von 2 bis 8 nm auf . In diesem Ausführungsbeispiel weist das erste ferromagneti- sehe Schichtelement FMl aufgrund seiner Materialzusammensetzung eine größere magnetische Härte als das zweite ferroma- gnetische Schichtelement FM2 auf .
Je zwei benachbarte, mit verschiedenen ersten Leitungen LIi, LIi+1 verbundene magnetoresistive Elemente MRij, MRi+lj bilden eine Speicherzelle Sii+lj . Die Speicherzellen Sii+lj sind in Figur 1 durch gestrichelte Linien markiert. Die beiden magnetoresistiven Elemente MRij , MRi+lj einer Speicherzelle Sii+lj sind dabei mit derselben zweiten Leitung LIIj verbun- den. Die Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichtelemente FMl, FM2 in den magnetoresistiven Elementen MRij, MRi+lj ein und derselben Speicherzelle Sii+lj sind so ausgerichtet, daß in dem einen der magnetoresistiven Elemente MRij , MRi+lj die Magnetisierungsrichtungen in dem ersten ferromagnetischen Element FMl und dem zweiten ferromagnetischen Element FM2 parallel zueinander ausgerichtet sind und in dem anderen antiparallel zueinander. Die Magnetisierungen in den ersten ferromagnetischen Elementen FMl sind zudem einheitlich in ei- ne Richtung ausgerichtet (in Figur 1 parallel zu den Leitungen LIIj) . Dadurch weisen die magnetoresistiven Elemente MRij , MRi+lj ein und derselben Speicherzelle Sii+lj unterschiedliche Widerstandswerte auf. Eine digitale Information mit zwei logischen Werten wird in den Speicherzellen Sii+lj durch die Anordnung der unterschiedlichen Widerstandswerte gespeichert, das heißt dadurch, daß das magnetoresistive Element MRij den kleineren und das magnetoresistive Element MRi+lj den größeren Widerstandswert aufweist oder daß das magnetoresistive Element MRij den größeren und das magnetorei- stive Element MRi+lj den kleineren der Widerstandswerte aufweist .
Die Magnetisierungen in den ersten und zweiten ferromagnetischen Elementen (FM 1 bzw. FM2 ) können sämtlich parallel zu den ersten Leitungen LIi oder parallel zu den zweiten Leitungen LIIj, wie in Figur 1 dargestellt, gerichtet sein.
Die Speicherzellenanordnung stellt eine Widerstandsmatrix dar. In Figur 2 ist eine Schaltskizze dieser Widerstandsma- trix dargestellt, in der die magnetoresistiven Elemente MRij durch ihren Widerstand Rj_j gekennzeichnet sind.
Zum Auslesen einer Speicherzelle Sii+lj mit den Widerständen R-H und Ri+ij werden die zugehörigen ersten Leitungen LIi, LIi+1 mit von Null verschiedenen Spannungspegeln beaufschlagt. Dabei wird die erste Leitung LIi mit - U/2 und die erste Leitung LIi+1 mit + U/2 beaufschlagt. Die übrigen er- sten Leitungen LIx mit x ≠ i, i+1 werden mit Massepotential (Potential O) verbunden. An der zweiten Leitung LIIj, die mit den Widerständen Rj_j und Ri+ij der Speicherzelle Sii+lj verbunden ist, wird ein Ausgangssignal bewertet. Der Mittel- kontakt der Spannungsquelle, die die Spannungen - U/2 und + U/2 liefert, liegt ebenfalls auf Massepotential.
Die Pegelhöhe Uj des an der zweiten Leitung LIIj abgegriffenen Signals läßt sich folgendermaßen abschätzen: Die Wider- stände Rxj mit x ≠ i, i+1, die einerseits über die ersten
Leitungen LIx mit x ≠ i, i+1 mit Massepotential und andererseits mit der zweiten Leitung LIIj verbunden sind, bilden zusammen den Querwiderstand Rj einer Halbbrücke, die von Rij und Ri+l,j gebildet wird.
Für den Widerstand Rj gilt
R„ l(m - 2) ≤ RJ ≤ (Rn + AR)/(m - 2)
Dabei ist RQ der kleinere und RQ + ΔR der größere der beiden Widerstandswerte, den die magnetoresistiven Elemente MRij annehmen können. Der untere Wert für Rj gilt für den Fall, daß alle Widerstände den Wert R0 annehmen. Die obere Grenze gilt für den Fall, daß alle Widerstände R0 + ΔR annehmen. Für den Betrag Uj0 des Pegels Uj des Signals an der zweiten Leitung LIIj gilt
U AR/R„ < v ≤ U AR/Rn
2 ΔR/Rn(m - l) + m J" 2 AR/R + m
Der Pegel Uj des Signals kann je nach gespeicherter logischer Information die Werte + Uj0 oder - Uj0 annehmen.
Figure imgf000012_0001
Zum Auslesen der Information ist es daher ausreichend, an der zweiten Leitung LIIj zu bestimmen, ob der Pegel größer oder kleiner Null ist. Diese Bewertung erfolgt vorzugsweise durch eine bistabile Schaltung, zum Beispiel einen Schmitt-Trigger oder einen Differenzverstärker mit hoher Verstärkung. Die Höhe des Betrags Uj0 ist umgekehrt proportional zur Anzahl m der ersten Leitungen LIi. Mit zunehmender Anzahl m der ersten Leitungen LIi nimmt die Signalhöhe daher ab.
Zur sicheren Bewertung des Signal Uj unabhängig von der Anzahl der ersten Leitungen LIi werden die zweiten Leitungen LIIj jeweils mit dem invertierenden Eingang eines über den Widerstand Rkj rückgekoppelten Operationsverstärkers OPj verbunden (siehe Figur 4) . Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OPj wird mit Masse verbunden. Am Ausgang dieses als Stromfolger verschalteten Operationsverstärkers OPj wird ein Signal Uj ' abgegriffen, dessen Signalhöhe Uj0' unabhängig von der Anzahl der ersten Leitungen Lim ist. Für den Betrag Uj0' gilt
'" /? 2 ARlR + l
Das Signal Uj ' kann wiederum die Werte + Uj0' oder - Uj0' annehmen, je nachdem, welche logische Information in der Spei- cherzelle Sii+lj gespeichert ist.
Figure imgf000013_0001
Zum Einschreiben von Information werden die erste Leitung LIi mit einem positiven Strom + Iw und die erste Leitung LIi+1 mit einem negativen Strom - Iw beaufschlagt (siehe Figur 5) . Die Ströme sind dem Betrag nach gleich. Diese Ströme können aus einer gemeinsamen Stromquelle fließen, sofern die ersten Leitungen LIi, LIi+1 über einen Schalter S miteinander ver- bunden sind. Die zugehörige zweite Leitung LIIj wird mit ei- nem Strom Ig beaufschlagt. Die Ströme Iß und Iw bewirken an den Kreuzungspunkten zwischen den ersten Leitungen LIi, LIi+1 und der zweiten LIIj , an denen die magnetoresistiven Elemente MRij, MRi+lj mit den Widerständen R±j , Ri+i.j angeordnet sind, ein ausreichend großes Magnetfeld, um die Magnetisierungen in den zweiten ferromagnetischen Schichtelementen FM2 zu schalten. Die Magnetisierungen in den ersten ferromagnetischen Schichtelementen FMl, die aufgrund ihrer Materialwahl magnetisch härter sind, bleiben dabei unverändert (siehe Fi- gur 5) . Zum Schreiben sind die Ströme Iw und Iß so zu wählen, daß die resultierenden Magnetfelder am Ort der Widerstände Rij , Ri+ι, die Schaltschwellen der zweiten ferromagnetischen Schichtelemente FM2 übersteigen. Durch die Richtung des Stromes Iw wird die einzuschreibende Information festgelegt. Die zweiten Leitungen LIIj wirken als Signalleitungen.
Die ersten Leitungen LIi können jeweils als Wortleitungen, die zweiten Leitungen LIIj können als Bitleitungen verwendet werden. Alternativ ist es möglich, die ersten Leitungen LIi als Bitleitungen und die zweiten Leitungen LIIj als Bitleitungen zu verwenden.

Claims

Patentansprüche
1. Speicherzellenanordnung mit Speicherzellen, wobei jede Speicherzelle zwei magnetore- sistive Elemente aufweist, bei der in jeder Speicherzelle die magnetoresistiven Elemente so magnetisiert sind, daß sie unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, bei der die magnetoresistiven Elemente einer der Speicherzellen über eine Signalleitung in Reihe verschaltet sind und die beiden Enden des so gebildeten Gesamtwiderstandes an Spannungen gleicher Größe aber entgegengesetzter Polarität gelegt werden.
2. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 1, bei der die magnetoresistiven Elemente TMR- oder GMR-Elemente sind.
3. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die magnetoresistiven Elemente einer Speicherzelle einander benachbart in einer Ebene angeordnet sind.
4. SpeicherZeilenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,
- bei der erste Leitungen und zweite Leitungen vorgesehen sind, wobei die ersten Leitungen und die zweiten Leitungen jeweils untereinander parallel verlaufen und die ersten Leitungen und die zweiten Leitungen sich kreuzen,
- bei der die magnetoresistiven Elemente jeweils zwischen eine der ersten Leitungen und eine der zweiten Leitungen ge- schaltet sind,
- bei der die magnetoresistiven Elemente einer der Speicherzellen jeweils mit verschiedenen ersten Leitungen und derselben zweiten Leitung verbunden sind.
5. Speicherzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, - bei der die magnetoresistiven Elemente jeweils mindestens ein erstes ferromagnetisches Schichtelement, ein nichtmagnetisches Schichtelement und ein zweites ferromagnetisches Schichtelement aufweisen, wobei das nichtmagnetische Schichtelement zwischen dem ersten ferromagnetischen
Schichtelement und dem zweiten ferromagnetischen Schichtelement angeordnet ist,
- bei der je Speicherzelle in einem der magnetoresistiven Elemente die Magnetisierungen in dem ersten ferromagnetischen Schichtelement und dem zweiten ferromagnetischen Schichtelement parallel zueinander und in dem anderen der magnetoresistiven Elemente die Magnetisierungen in dem ersten ferromagnetischen Schichtelement und dem zweiten fer- romagnetischen Schichtelement antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
6. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 5,
- bei der das erste ferromagnetische Schichtelement und das zweite ferromagnetische Schichtelement jeweils mindestens eines der Elemente Fe, Ni, Co, Cr, Mn, Bi, Gd und/oder Dy enthalten und senkrecht zur Schichtebene jeweils eine Dicke zwischen 2 nm und 20 nm aufweisen,
- bei der das nichtmagnetische Schichtelement AI2O3, NiO, Hfθ2, Tiθ2, NbO, Siθ2, Cu, Au, Ag und/oder AI enthält und senkrecht zur Schichtebene eine Dicke zwischen 1 nm und 5 nm aufweist.
7. SpeicherZeilenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die zweiten Leitungen jeweils mit einem Stromfolger verbunden sind.
8. Verfahren zum Betrieb einer SpeicherZeilenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, - bei dem die magnetoresistiven Elemente in einer der Speicherzellen jeweils so magnetisiert werden, daß sie unterschiedliche Widerstände aufweisen,
- bei dem zum Auslesen der Information einer Speicherzelle die magnetoresistiven Elemente der Speicherzelle jeweils zwischen einen Spannungspegel und eine Signalleitung geschaltet werden, wobei der Spannungspegel betragsmäßig für beide magnetoresistiven Elemente gleich ist, jedoch unter- schiedliche Polarität aufweist und die Signalleitung für beide magnetoresistiven Elemente gleich ist,
- bei dem an der Signalleitung bewertet wird, ob die dort abfallende Spannung größer oder kleiner Null ist,
bei dem zum Ändern der in einer Speicherzelle gespeicherten Information die Widerstandswerte beider magnetoresistiver Elemente der Speicherzelle geändert werden.
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