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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein magnetoresistives Speicherelement gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Patentansprüche
1 und 2, einen Chip eines magnetischen Direktzugriffsspeichers gemäß den Ansprüchen 8 und
9 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetspeichers mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 11.
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Magnetoresistive
Speicherelemente gemäß den Oberbegriffen
der Patentansprüche
1 und 2 und ein Chip eines magnetischen Direktzugriffsspeichers gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 9 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines
Magnetspeichers mit magnetoresistiven Speicherelementen gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 11 sind aus
DE 198 36 567 C2 (Siemens AG, angemeldet
am 12.08.1998) bekannt.
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Hintergrund
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Ein
magnetischer (oder magnetoresistiver) Direktzugriffsspeicher (MRAM)
bildet eine Technologie für
nichtflüchtige
Zugriffsspeicher, die den dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM)
als Standardspeicher für
Computereinrichtungen ersetzen könnte.
Insbesondere wird die Verwendung von MRAMs als nichtflüchtigen
RAMs schließlich "direkteinschaltende" Systeme ermöglichen,
die aktiv werden, sobald ein Computersystem eingeschaltet wird, um
so die Zeitspanne einzusparen, die ein herkömmlicher Computer dazu benötigt, während des
Hochfahrens des Systems Bootdaten von einem Festplattenlaufwerk
in einen flüchtigen
DRAM zu übertragen.
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Ein
magnetisches Speicherelement (auch als magnetoresistives Tunnelelement
oder TMR-Element bezeichnet) verfügt über eine Struktur mit ferromagnetischen
Schichten, die durch eine unmagnetische Schicht (Barriere) getrennt
sind und in einem magnetischen Tunnelübergang (MTJ = magnetic tunnel
junction) angeordnet sind. Digitale Information wird im magnetischen
Speicherelement als Richtungen von Magnetisierungsvektoren in den
ferromagnetischen Schichten gespeichert und repräsentiert. Genauer gesagt, wird
das magnetische Moment einer ferromagnetischen Schicht magnetisch
fixiert oder gepinnt (auch als "Referenzschicht" bezeichnet), während das
magnetische Moment der anderen ferromagnetischen Schicht (auch als "freie Schicht" bezeichnet) frei
zwischen derselben und der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf
die feste Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht geschaltet werden
kann. Die Orientierungen des magnetischen Moments der freien Schicht
sind auch als "paralleler" und "antiparalleler" Zustand bekannt,
wobei der parallele Zustand dieselbe magnetische Ausrichtung der freien
und der Referenzschicht bezeichnet, während der antiparallele Zustand
entgegengesetzte magnetische Ausrichtungen derselben bezeichnet.
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Abhängig vom
Magnetisierungszustand der freien Schicht (d. h. paralleler oder
antiparalleler Zustand) zeigt das magnetische Speicherelement zwei verschiedene
Widerstandswerte, wenn eine Spannung an die Barriere des magnetischen
Tunnelübergangs
angelegt wird. So spiegelt der spezielle Widerstand des TMR-Elements
den Magnetisierungszustand der freien Schicht wider, wobei der Widerstand "niedrig" ist, wenn die Magnetisierung
parallel ist, und er "hoch" ist, wenn die Magnetisierung
antiparallel ist. Demgemäß ermöglicht es,
dass durch Erfassen von Änderungen
des Widerstands eines MRAM im magnetischen Speicherelement gespeicherte
Information erfasst wird, d. h. Information aus dem magnetischen Speicherelement
ausgelesen wird. Außerdem
wird durch Anlegen eines bidirektionalen Stroms in einer speziellen
Richtung in ein magnetisches Speicherelement geschrieben, um die
freie Schicht in einem parallelen oder einem antiparallelen Zustand
magnetisch auszurichten.
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In
einem MRAM ist eine Anzahl magnetischer Speicherelemente und anderer
Schaltkreise integriert, wie eine Steuerschal tung für magnetische Speicherelemente,
Komparatoren zum Erfassen von Zuständen in einem magnetischen
Speicherelement, Eingangs/Ausgangs-Schaltungen sowie verschiedene
Unterstützungsschaltungen.
Infolgedessen sind bestimmte Mikroherstell-Prozessschwierigkeiten
zu überwinden,
bevor MRAMs hoher Kapazität/Dichte kommerziell
verfügbar
werden. Um z. B. den Energieverbrauch eines MRAM zu senken und für verschiedene
Hilfsfunktionen zu sorgen, ist die CMOS-Technik verwendet. Es werden
verschiedene CMOS-Prozessschritte bei relativ hohen Temperaturen
ausgeführt,
während
bei der Herstellung von MRAMs verwendete ferromagnetische Materialien deutlich
niedrigere Prozesstemperaturen benötigen. So werden die magnetischen
Speicherelemente typischerweise so konzipiert, dass sie folgend
auf die CMOS-Bearbeitung am Anfang der Fertigungslinie (FEOL = front-end-of-line)
in die Hinterende-Leiterbahnstruktur
bei der CMOS-Bearbeitung am Hinterende der Fertigungslinie (BEOL
= back-end-of-line) integriert werden.
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Um
in elektronischen Einrichtungen von Nutzen zu sein, werden in magnetischen
Direktzugriffsspeichern Arrays sehr hoher Dichte magnetischer Speicherelemente
verwendet. In diesen Arrays hoher Dichte sind die magnetischen Zellen
im Allgemeinen in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei einzelne Zellen
für Lese-
und Schreiboperationen durch die Auswahl der geeigneten Zeile und
Spalte, die die gewünschte
Zelle enthalten, adressierbar ist. Auch sind herkömmlicherweise
orthogonale Stromleitungen vorhanden, eine für jede Zeile und eine für jede Spalte,
so dass in eine ausgewählte
Zelle dadurch geschrieben wird, dass ein Strom an die geeignete
Zeilen-Stromleitung und die geeignete Spalten-Stromleitung geliefert
wird.
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In
jüngerer
Zeit hat, insbesondere angesichts moderner tragbarer Einrichtungen,
wie tragbarer Computer, digitaler Steh bildkameras und dergleichen,
die Nachfrage nach billigen Massenspeichern hoher Dichte drastisch
zugenommen. Daher besteht einer der wichtigsten Punkte hinsichtlich
billiger MRAMs hoher Dichte in einer Verringerung der Größe der MRAM-Zelle. Jedoch erfordert
ein maßstäbliches
Verkleinern von MRAM-Zellen immer kleinere magnetische Tunnelübergänge, so
dass viele schwerwiegende Probleme auftreten. Für ein vorgegebenes Seitenverhältnis und
eine vorgegebene Dicke der freien Schicht wird die vom Volumen derselben
abhängige
Aktivierungsenergie entsprechend w herunterskaliert, wobei w die
Weite der magnetischen Zelle ist. Andererseits nehmen die Schaltfelder grob
entsprechend 1/w zu. So wird beim maßstäblichen Verkleinern einer MRAM-Zelle
ein Feld-induzierter Auswähl-Schaltvorgang
noch schwieriger, und gleichzeitig verliert die magnetische Zelle
aufgrund thermischer Aktivierung ihre Information immer schneller.
Ein Hauptproblem bei kleiner Aktivierungsenergie (Energiebarriere)
besteht darin, dass es extrem schwierig wird, eine MRAM-Zelle in
einem Array selektiv zu schalten. Selektivität erlaubt ein Schalten ohne
unbeabsichtigtes Schalten anderer MRAM-Zellen.
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Im
Allgemeinen wird, wenn ein Magnetfeld in der Richtung umgekehrt
zur Magnetisierungsrichtung der freien Schicht in der Richtung der
Achse leichter Magnetisierung angelegt wird, die Magnetisierungsrichtung
bei einem kritischen Magnetfeldwert, was auch als Umkehrmagnetfeld
bezeichnet wird, in die Richtung des angelegten Magnetfelds umgekehrt. Der
Wert des Umkehrmagnetfelds kann aus einer Minimalenergiebedingung
bestimmt werden. Wenn ein Magnetfeld nicht in der Richtung der Achse
leichter Magnetisierung sondern in der Richtung der Achse harter
Magnetisierung angelegt wird, nimmt der Absolutwert des Umkehrmagnetfelds
ab. Insbesondere dann, wenn das in der Richtung der Achse harter
Magnetisierung angelegte Magnetfeld durch Hx repräsentiert
wird und das in der Richtung der Achse leichter Magnetisierung ange gelegte
Magnetfeld durch Hx repräsentiert wird und das in der
Richtung der Achse leichter Magnetisierung angelegte Magnetfeld
durch Hy repräsentiert wird, gilt die Beziehung
Hx(2/3) + Hy(2/3)
= Hc(2/3), wobei Hc das
anisotrope Magnetfeld der freien Schicht repräsentiert. Da diese Kurve in
der Hx-Hy-Ebene
einen Asteroiden bildet, wird sie als Asteroidkurve bezeichnet.
Wie es aus der obigen Beziehung ersichtlich ist, ermöglichtes
ein zusammengesetztes Magnetfeld, eine einzelne MRAM-Zelle auszuwählen, die
an der Schnittstelle zwischen einer Wort- und einer Bitleitung an
einer Position angeordnet ist, an der sich nur die Summe der beiden
Magnetfelder zumindest auf das Umkehrmagnetfeld beläuft.
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Ein
typischer Schaltmechanismus, wie er zum Schalten von MRAM-Zellen
verwendet wird, ist das gut bekannte "Stoner-Wohlfahrt"-Schaltszenarium, bei dem die magnetische
Anisotropie der freien Schicht so gewählt wird, dass sie ungefähr parallel
zu einer Waferfläche
verläuft.
Insbesondere erfolgt das Schreiben in eine MRAM-Zelle durch Steuern
der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht unter Verwendung
eines zusammengesetzten Magnetfelds, das dadurch erzeugt wird, dass
sowohl einer Wortleitung als auch einer Bitleitung Strom zugeführt wird.
Ein anderes Verfahren zum Schalten einer MRAM-Zelle ist das gut
bekannte Szenarium mit "adiabatischem,
rotierendem Schalten",
bei dem die magnetische Anisotropie der freien Schicht so gewählt wird,
dass sie unter einem Winkel von ungefähr 45° relativ zur Waferfläche geneigt
ist. Der rotierende Schaltmechanismus ist z. B. im
US- Patent Nr. 6,545,906 B1 für Savtchenko
et al. offenbart. Ein Schlüsselunterschied
zwischen dem Stoner-Wohlfahrth-Schalten und dem adiabatischen, rotierenden Schalten
besteht darin, dass das Letztere nur unidirektionale Felder verwendet.
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Bei
dem aus der oben zitierten
DE
198 36 567 C2 bekannten magnetoresistiven Speicherelement
ist ein eine der Stromleitungen teilweise umgebendes magnetisches
Joch mit einem magnetisierbaren Material mit einer relativen Permeabilität von mindestens
10 vorgesehen, das so angeordnet ist, dass sich der Magnetfluss
durch das Joch im Wesentlichen über
das Speicherelement schließt.
Dabei ist das im Joch induzierte Magnetfeld nicht statisch, denn
es ändert
sich oder verschwindet, wenn der Strom durch die Stromleitung wieder
abgeschaltet wird. Außerdem
ist das von dem magnetischen Joch erzeugte Magnetfeld nicht in Richtung
derjenigen Stromleitung gerichtet, die das magnetische Joch trägt, sondern
quer dazu in Richtung der anderen Stromleitung.
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Eine ähnliche
Jochanordnung wie in der zuletzt genannten Druckschrift ist von
WANG, Z. G. et al. in der Veröffentlichung: „Feasibility
of ultra-dense sein-tunneling random access memory" in IEEE Transactions
an Magnetics, Bd. 33, Nr. 6, November 1997 auf den Seiten 4498 bis
4512 beschrieben worden. Des Weiteren beschreiben die Druckschriften
US 6 413 788 B1 ,
US 6 872 993 B1 ,
US 6 211 090 B1 ,
US 2003/0111626 A1 und
HUGHES, B.: „Magnetoresistive
random access memory (MRAM) and reliability", 42
nd Annual,
IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 25.
bis 29. April 2004, auf den Seiten 194 bis 199 magnetoresistive Speicherelemente
bei denen Wortleitungen oder Bitleitungen mit einer diese teilweise
umgebenden magnetischen Ummantelung versehen sind, die entweder
die Funktion einer magnetischen Abschirmschicht hat oder als Maganetfluss konzentrator
dient. Auch die zuletzt genannten magnetischen Ummantelungen erzeugen
kein statisches magnetisches Verschiebungsfeld.
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Angesichts
des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein magnetisches
Speicherelement und einen magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM)
mit solchen magnetischen Speicherelementen bereitzustellen, die
ein Herunterskalieren der Zellengröße ermöglichen, ohne dass es dadurch zu
schwerwiegenden Problemen hinsichtlich einer Zunahme von Schaltfeldern
und einer Verringerung der Aktivierungsenergie käme.
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Des
Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen
eines Magnetspeichers mit derartigen magnetoresistiven Speicherelementen zu
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 2,
8, 9 und 11 gelöst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
beigefügten
Zeichnungen sind enthalten, um für
ein weiteres Verständnis
der Erfindung zu sorgen, und sie sind in diese Beschreibung eingeschlossen
und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen veranschaulichen
die Ausführungsformen
der Erfindung, und sie dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu,
die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Andere Ausführungsformen
der Erfindung und viele der vorgesehenen Vorteile der Erfindung werden
leicht erkennbar werden, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende
detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente
der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise wechselseitig maß stabsgetreu.
Gleiche Bezugszahlen kennzeichnen entsprechende, ähnliche
Teile.
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1 ist
eine schematische Umkehransicht zum Veranschaulichen einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen magnetoresistiven
Speicherelements;
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2 ist
eine schematische Darstellung eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds
bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen zur Veranschaulichung
spezielle Ausführungsform
dargestellt sind, gemäß denen
die Erfindung realisiert werden kann. In dieser Hinsicht wird eine
Richtungsterminologie, wie "oben", "unten", "vorne", "hinten", "vorderer", "hinterer" usw., unter Bezugnahme
auf die Ausrichtung der Figur(en) verwendet. Da Komponenten der
Ausführungsformen
der Erfindung mit einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden
können,
wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Veranschaulichung
verwendet, und sie ist in keiner Weise einschränkend. Es ist zu beachten,
dass andere Ausführungsformen
verwendet werden können
und strukturmäßige oder
logische Änderungen
vorgenommen werden können.
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Die 1 ist
eine schematische Umkehransicht zum Veranschaulichen einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen magnetischen
(d. h. magnetoresistiven) Speicherelement 10. In den folgenden
Absätzen
werden eine oder mehrere Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen magnetischen Speicherelements
erläutert.
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Bei
einer Ausführungsform
verfügt,
auf Grundlage einer magnetischen Speicherzelle mit einer ersten
und einer zweiten Stromleitung entlang Wortleitungen bzw. Bitleitungen,
das magnetische Speicherelement 10 über einen magnetischen Tunnelübergang
(MTJ) 12, der durch seine leichte Achse 14 dargestellt
ist, mit einer freien und einer Referenzschicht (nicht dargestellt)
aus einem magnetischen Material, die in paralleler Übereinanderbeziehung aufgeschichtet
und durch eine Schicht aus unmagnetischem Material getrennt sind.
Die Magnetisierung der freien Schicht ist magnetisch mit einer ersten Stromleitung 20 über dem
MTJ 12 und einer zweiten Stromleitung 22 unter
diesem gekoppelt, um sie auf einen parallelen oder antiparallelen
Zustand in Bezug auf die Magnetisierung der Referenzschicht zu schalten.
Die erste Stromleitung 20 und die zweite Stromleitung 22 schneiden
sich rechtwinklig, wobei der MTJ 12 an der Schnittstelle
positioniert ist. Die erste Stromleitung 20 erzeugt ein
erstes Magnetfeld 24, wenn ein Strom durch sie geschickt
wird. Auch erzeugt die zweite Stromleitung 22 ein zweites
Magnetfeld 26, wenn ein Strom durch sie geschickt wird.
Die beiden Magnetfelder 24, 26 zeigen eine Wechselwirkung
auf der Achse 14 leichter Magnetisierung des MTJ 12,
um diese zu schalten.
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Um
die zweite Stromleitung 22 unter dem MTJ 12 ist
eine die zweite Stromleitung 22 teilweise umgebende ferromagnetische
Ummantelung 30 aus einem ferromagnetischen Material vorhanden,
um für ein
statisches magnetisches Verschiebungsfeld 32 (magnetisches
Dipolfeld) zu sorgen, das in der Richtung der zweiten Stromleitung 22 und
auch in der Richtung des Magnetfelds (24) der ersten Stromleitung 20 ausgerichtet
ist. Aufgrund des statischen magnetischen Verschiebungsfelds 32 kann
beim Schalten des magnetischen Speicherelements 10 das
magnetische Schreibfeld 24 der ersten Stromleitung 20 verkleinert
werden, ohne dass die Aktivierungsenergie des magnetischen Speicherelements 10 nachteilig
beeinflusst würde.
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Die 2 ist
eine schematische Diagrammdarstellung des statischen magnetischen
Verschiebungsfelds einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die 2 veranschaulicht
schematisch einen Chip 36 eines magnetischen Direktzugriffsspeichers mit
einer Anzahl magnetischer Speicherelemente 38, ähnlich dem
bereits beschriebenen magnetischen Speicherelement 10,
von denen jedes über
einen magnetischen Tunnelübergang
mit einer ersten und einer zweiten magnetischen Schicht aus einem
magnetischen Material besteht, die in paralleler Übereinanderbeziehung
aufgeschichtet sind und durch eine Schicht aus unmagnetischem Material
getrennt sind. Der Chip 36 eines magnetischen Direktzugriffsspeichers
verfügt über eine
magnetische Abschirmungsschicht zum Anlegen eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds 40 in
der Richtung der ersten oder der zweiten Stromleitung. Das statische
magnetische Verschiebungsfeld 40 wird als magnetisches Dipolfeld
gewählt.
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Bei
einer Ausführungsform
verfügt
das Speicherelement 10 über
einen magnetischen Tunnelübergang 12 sowie
erste und zweite Stromleitungen 20, 22, die einander
rechtwinklig schneiden, während jedes
magnetoresistive Speicherelement 10 typischerweise an einer
Schnittstelle zwischen den ersten und zweiten Stromleitungen 20, 22 positioniert
ist. Der magnetoresistive Tunnelübergang
(MTJ) 12 verfügt über eine
erste und eine zweite magnetische Schicht aus einem magnetischen
Material, die in paralleler Übereinanderbeziehung
aufgeschichtet sind und durch eine Schicht aus unmagnetischem Material
getrennt sind. Typischerweise ist die zweite magnetische Schicht
mit einer magnetisch fixierten (gepinnten) Magnetisierung versehen,
während
die erste magnetische Schicht mit einer "freien" Magnetisierung versehen ist, d. h.,
sie kann frei zwischen derselben und der entgegengesetzten Richtung
in Bezug auf die Richtung der festen Magnetisierung der zweiten
magnetischen Schicht geschaltet werden. Die freie Magnetisierung
der ersten magnetischen Schicht ist magnetisch mit der ersten und
zweiten Stromleitung gekoppelt, um diese freie Magnetisierung zu
schalten.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung verfügt
das Speicherelement 10 ferner über eine oder mehrere Einrichtungen
zum Anlegen eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds 32, 40 in
der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitungen 20, 22.
Wenn ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld 32 in
der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitungen 20, 22 angelegt wird,
kann in vorteilhafter Weise das durch die Ströme zu erzeugende Magnetfeld
(Umkehrmagnetfeld) verkleinert werden. Demgemäß können Schreibströme für eine MRAM-Zelle
gemäß der Erfindung
verkleinert werden.
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Darüber hinaus
zeigt zwar ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld in der
Richtung der Achse leichter Magnetisierung der freien Schicht ein Problem
dahingehend, dass die Aktivierungsenergie verkleinert sein kann,
so dass die freie Schicht instabil wird, jedoch ermöglicht es
das statische magnetische Verschiebungsfeld 32, 40 gemäß der Erfindung, die
Aktivierungsenergie aufrecht zu erhalten oder sogar zu erhöhen. Die
meiste Zeit ist die Information nur gespeichert, und es wird kein
Schaltfeld angelegt. Wenn die Aktivierungsenergie verringert wäre, wie
im Fall eines statischen Magnetfelds in der Richtung der Achse leichter
Magnetisierung der freien Schicht, könnte aufgrund thermisch aktivierten
Schaltens verloren gehen. Demgemäß besteht
bei aufrecht erhaltener oder sogar erhöhter Aktivierungsenergie eine kleinere
Gefahr hinsichtlich einer unbeabsichtigten Magnetisierungsumkehr
im Speicherungsfall.
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Das
statische magnetische Verschiebungsfeld 32, 40 kann
so gewählt
werden, dass es ein nahezu homogenes Magnetfeld ist. Alternativ
kann es als magnetisches Dipolfeld gewählt werden.
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Gemäß der Erfindung
kann es bevorzugt sein, dass die Einrichtung zum Anlegen eines statischen
Magnetfelds zum Anlegen eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds 32, 40 in
der Richtung nur der ersten oder der zweiten Stromleitungen ist.
Bei einer Ausführungsform
an einem MRAM-Array mit ersten und zweiten Stromleitungen, die einander
rechtwinklig schneiden, zeigt das statische magnetische Verschiebungsfeld 32, 40 in
der Richtung einer der ersten oder zweiten Stromleitungen 20, 22, so
dass es in derselben Richtung wie das Magnetfeld der anderen dieser
ersten und zweiten Stromleitungen 20, 22 gerichtet
ist.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist der oben genannte Mechanismus oder die Einrichtung
zum Anlegen eines statischen magnetischen Verschiebungsfelds 32, 40 so
realisiert, dass es sich um mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30,
d. h. eine oder mehrere ferromagnetische Ummantelungen 30,
aus einem ferromagnetischen Material handelt, die benachbart zu
den ersten und/oder zweiten Stromleitungen 20, 22 positioniert
sind. Anders gesagt, können
die mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30 an
der ersten Stromleitung 20, der zweiten Stromleitung 22 oder
beiden vorhanden sein. Wenn die mindestens eine ferromagnetische
Ummantelung 30 nur an der ersten oder zweiten Stromleitung 20, 22 vorhanden
ist, wird nur der Strom für
eine Stromleitung verkleinert, jedoch handelt es sich um den Strom
derjenigen Stromleitung, die über
keine ferromagnetische Ummantelung verfügt, weswegen sie über eine
niedrige Stromeffizienz verfügt.
Die andere Stromleitung verfügt über die mindestens
eine ferromagnetische Ummantelung 30 und damit hohe Stromeffizienz,
was bedeutet, dass für
diese Stromleitung der Strom bereits klein ist.
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Die
mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30 kann insbesondere
so positioniert sein, dass sie mit der ersten und/oder zweiten Stromleitung 20, 22 in
Kontakt steht. Die mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30 kann
an der Oberseite und/oder der Unterseite und/oder einer Seite und/oder
beiden Seiten der Stromleitung vorhanden sein, gesehen in einer
Richtung weg von der Fläche eines
Wafers, auf der die Speicherzelle typischerweise hergestellt ist.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die ferromagnetische
Ummantelung 30 so ausgebildet ist, dass sie über ein
U-förmiges
Profil, im Schnitt über
die entsprechende Stromleitung gesehen, verfügt. Typischerweise ist es relativ
einfach, eine U-förmige
ferromagnetische Ummantelung 30 für eine unter dem MTJ liegende
Stromleitung aufzubauen, jedoch kann es schwierig sein, eine ferromagnetische
Ummantelung 30 für
eine Stromleitung über
dem MTJ aufzubauen, da im letzteren Fall ein U-förmiges Profil mit der Oberseite
nach unten hergestellt werden muss. Daher besteht eine bevorzugte Ausfüh rungsform
darin, dass nur eine ferromagnetische Ummantelung für die Stromleitung
unter dem MTJ vorhanden ist. Dann kann die andere Stromleitung über dem
MTJ vom Erfordernis des verkleinerten Magnetfelds aufgrund des statischen
magnetischen Verschiebungsfelds 32 von der Stromleitung unter
dem MTJ profitieren.
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Die
mindestens eine ferromagnetische Ummantelung 30 im erfindungsgemäßen magnetoresistiven
Speicherelement 10 verfügt über magnetische Anisotropie
entlang der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitung 20, 22.
Die magnetische Anisotropie kann durch eine Formanisotropie und/oder eine
dem Material innewohnende Anisotropie realisiert sein. Es kann auch
bevorzugt sein, wenn die ferromagnetische Ummantelung 30 segmentiert
ist, mit Ausschnitten orthogonal zur Richtung der ersten und/oder
zweiten Stromleitung 20, 22. In diesem Fall kann
die Formanisotropie durch Segmente realisiert werden, von jedes über eine
Länge verfügt, die
größer als
seine Weite ist, wobei die Länge
die Abmessung des Segments in der Richtung der ersten und/oder zweiten
Stromleitung 20, 22 ist und die Weite die Abmessung
des Segments orthogonal zur Richtung der ersten und/oder zweiten
Stromleitung 20, 22 ist.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist die Einrichtung zum Anlegen eines statischen magnetischen
Verschiebungsfelds eine zusätzliche
ferromagnetische Schicht des geschichteten magnetischen Tunnelübergangs.
Eine derartige zusätzliche
ferromagnetische Schicht kann an der Unterseite des geschichteten
magnetischen Tunnelübergangs
oder auch innerhalb des MTJ-Stapels positioniert sein. Unabhängig von
der magnetischen Anisotropie der freien und der Referenzschicht
des MTJ-Stapels, die dann, wenn adiabatische Drehung für den Schaltvorgang
verwendet wird, typischerweise unter einem Winkel von ungefähr 45° relativ
zur Waferober fläche
geneigt ist, auf der das Speicherelement ausgebildet ist, kann die
Magnetisierung der zusätzlichen
ferromagnetischen Schicht 30 zum Erzeugen eines statischen
magnetischen Verschiebungsfelds 32 unter Verwendung der
dem Material innewohnenden magnetischen Anisotropie in der Richtung
der ersten oder zweiten Stromleitungen 20, 22 ausgerichtet
werden.
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Bei
einer Ausführungsform
verfügt
die Erfindung ferner über
einen Chip 36 eines magnetischen Direktzugriffsspeichers
mit mehreren magnetischen Speicherelementen 10, wie sie
oben beschrieben sind.
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Bei
einer Ausführungsform
verfügt
die Erfindung über
einen Chip 36 eines magnetischen Direktzugriffsspeichers
mit mehreren magnetischen Speicherelementen 10, von denen
jedes einen magnetischen Tunnelübergang 12 mit
einer ersten und einer zweiten magnetischen Schicht aus einem magnetischen
Material aufweist, die in paralleler Übereinanderbeziehung aufgeschichtet
und durch eine Schicht aus urimagnetischem Material getrennt sind,
wobei die zweite magnetische Schicht mit einer magnetisch festen
Magnetisierung versehen ist, während
die erste magnetische Schicht mit einer freien Magnetisierung versehen
ist, die zwischen derselben und der entgegengesetzten Richtung in
Bezug auf die feste Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht
frei geschaltet werden kann, wobei die freie Magnetisierung der
ersten magnetischen Schicht magnetisch mit einer ersten Stromleitung 20 und
einer zweiten Stromleitung 22 gekoppelt ist, um diese freie
Magnetisierung zu schalten. Ein derartiger erfindungsgemäßer Chip 36 eines
magnetischen Direktzugriffsspeichers ist mit einer magnetischen
Abschirmungsschicht in einem Chipgehäuse versehen, um ein statisches
magnetisches Verschiebungsfeld 40 in der Richtung der ersten
und/oder zweiten Stromleitungen 20, 22 anzulegen.
Ein derar tiges statisches magnetisches Verschiebungsfeld 32 wird
vorzugsweise so gewählt,
dass es sich um ein magnetisches Dipolfeld handelt. Ferner ist es
bevorzugt, dass das statische Magnetfeld in der Richtung nur der
ersten oder zweiten Stromleitungen ausgerichtet ist.
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Beim
erfindungsgemäßen magnetoresistiven
Speicherelement 10 können
Schaltströme
des magnetischen Speicherelements vorteilhafterweise dadurch verkleinert
werden, dass ein statisches magnetisches Verschiebungsfeld 32, 40 angelegt
wird, das in der Richtung der ersten und/oder zweiten Stromleitungen 20, 22 ausgerichtet
ist, während
die Aktivierungsenergie zum Schalten der Speicherelemente 10 aufrecht
erhalten oder sogar erhöht
wird, so dass das Speichervermögen
der Speicherelemente nicht beeinträchtigt wird oder sogar verbessert wird.
Demgemäß kann eine
Erhöhung
von Schreibströmen
beim Herunterskalieren von Speicherelementen vermieden werden, oder
es kann sogar eine Absenkung von Schreibströmen erzielt werden. Wenn der
Stoner-Wohlfahrt-Schaltvorgang zum Schalten der erfindungsgemäßen magnetoresistiven Speicherelemente 10 verwendet
wird, sind die Schreibtoleranzen verkleinert. Alternativ sind Schreibfelder
verkleinert, wenn adiabatische Rotation dazu verwendet wird, erfindungsgemäße magnetoresistive
Speicherelemente 10 zu schalten. Demgemäß ist eine adiabatische Rotation
zum Schalten der erfindungsgemäßen magnetoresistiven
Speicherelemente 10 hoch bevorzugt.
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Eine
mit U-Form hergestellte ferromagnetische Ummantelung 30 kann
auf die folgende Weise bearbeitet werden: Herstellen eines Grabens;
Abscheiden eines Ummantelungsmaterials; Auffüllen des Grabens mit einem
Fotoresist; Belichten mit einer Maske mit Linien, die orthogonal
zur Richtung des Grabens verlaufen, um aus der ferromagnetischen
Ummantelung diskrete Elemente zu bilden; Entwickeln des Fotoresists;
Herausätzend
es Ummantelungsmaterials in den Resistgräben; Entfernen des Fotoresists;
Füllen
der Gräben
mit leitendem Material wie Kupfer.