DE102006008264B4 - MRAM Zelle mit Domänenwandumschaltung und Feldauswahl - Google Patents

MRAM Zelle mit Domänenwandumschaltung und Feldauswahl Download PDF

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Abstract

Magnetoresistive Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) mit:
einem magnetischen Tunnelübergang, der erste und zweite magnetische Gebiete in paralleler, übereinander liegender Weise gestapelt und von einer nicht-magnetischen Tunnelbarrierenschicht voneinander getrennt enthält, wobei das erste magnetische Gebiet eine Referenzschicht mit einer fixierten Magnetisierung benachbart zur Tunnelbarrierenschicht aufweist, das zweite magnetische Gebiet eine freie Schicht mit einer leichten Magnetisierungsachse und erste und zweite freie Magnetisierungen aufweist, die zur leichten Magnetisierungsachse entgegengesetzt zueinander ausgerichtet und durch eine magnetische Domänenwand getrennt sind;
wobei die magnetische Domänenwand entlang der leichten Magnetisierungsachse der freien Schicht magnetisch verschiebbar ist, die freie Schicht magnetisch an Magnetfelder gekoppelt ist, die von ersten und zweiten Strömen erzeugt werden, welche durch sich unter einem Kreuzungswinkel kreuzende erste und zweite Leiterbahnen fließen und die leichte Achse der freien Schicht unter einem Neigungswinkel relativ zu sowohl den ersten als auch den zweiten Leiterbahnen geneigt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die MRAM-Zelle mit...

Description

  • Die Erfindung betrifft nichtflüchtige Halbleiterspeicherchips und insbesondere magnetoresistive Speicherzellen mit wahlfreiem Zugriff und Domänenwandumschaltung zur Verwendung in einem integrierten Halbleiterschaltkreis.
  • MRAM Technologie ist eine nichtflüchtige Speichertechnologie mit wahlfreiem Zugriff, die gegenwärtige Speicher mit wahlfreiem Zugriff als Standardspeichertechnologie für Rechnervorrichtungen ersetzen könnte. Eine MRAM Zelle (ebenso als magnetoresistive Tunnel- oder TMR-Vorrichtung bezeichnet) weist einen Aufbau mit ferromagnetischen Schichten auf, die durch eine nichtmagnetische Schicht voneinander getrennt sind und als magnetischer Tunnelübergang (MTJ) angeordnet sind. In MRAM Zellen wird digitale Information nicht in Form von Energie gespeichert, sondern diese wird durch die Ausrichtung magnetischer Momentvektoren (oder Magnetisierungen) in den ferromagnetischen Schichten gekennzeichnet. Insbesondere stellt eine der ferromagnetischen Schichten eine Referenzschicht dar, deren Magnetisierung fixiert oder gepinnt ist, während die andere der ferromagnetischen Schichten eine freie Schicht oder eine Speicherschicht darstellt, deren Magnetisierung frei zwischen zwei bevorzugten Richtungen entlang einer bevorzugten Magnetisierungsachse (leichte Magnetisierungsachse) umgeschaltet werden kann. Die leichte Magnetisierungsachse der freien Schicht ist typischerweise zur fixierten Magnetisierung der Referenzschicht ausgerichtet. In der praktischen Verwendung des MTJ als Speicherelement lässt sich ein Bit logischer Information den beiden verschiedenen Ausrichtungen der Magnetisierung der freien Schicht zuordnen.
  • Abhängig von den beiden verschiedenen Magnetisierungszuständen der freien Schicht (d. h. verschiedene Ausrichtungen der Magnetisierung entlang der leichten Achse) weist der MTJ zwei verschiedene Widerstandswerte bei einer über der magnetischen Tunnelübergangsbarriere angelegten Spannung auf. Dementsprechend gibt der Widerstand des MTJ den Magnetisierungszustand der freien Schicht wieder, so dass der elektrische Widerstand geringer ist, falls die Magnetisierung der freien Schicht parallel zur fixierten Magnetisierung der Referenzschicht liegt, verglichen mit dem Fall, bei dem die Magnetisierung der freien Schicht antiparallel zur fixierten Magnetisierung der Referenzschicht liegt. Somit ermöglicht eine Detektion des elektrischen Widerstands ein „Lesen" einer bestimmten Ausrichtung der Magnetisierung der freien Schicht relativ zur fixierten Magnetisierung und damit ein Lesen der zugehörigen logischen Information.
  • Um MRAM Zellen umzuschalten werden magnetische Felder, die an die umschaltbare Magnetisierung der freien magnetischen Schicht koppeln, angelegt, wobei die Felder typischerweise mittels durch Leiterbahnen getriebenen Strömen erzeugt werden, z.B. Bit- und Wortleitungen, und die Leiterbahnen sich in rechten Winkeln kreuzen mit einer typischerweise in einer mittleren Position zwischen diesen Bahnen und an deren Kreuzungspunkt befindlichen MRAM Zelle (ebenso als „Kreuzpunkt-Architektur" von MRAM Zellen bezeichnet).
  • Um für die heutzutage üblichen elektronischen Vorrichtungen verwendbar zu sein, müssen MRAM Zellen in Speicherzellenfeldern mit sehr hoher Dichte angeordnet sein. Demnach wird eine weitere Verkleinerung einzelner MRAM Zellen als wesentlich erachtet, um MRAM Zellen in der Praxis einsetzen zu können. Jedoch treten bei der Verkleinerung von MRAM Zellen eine Anzahl von Problemen auf, die es zu lösen gilt. Tatsächlich benötigen kleinere MRAM Zellen immer höhere magnetische Umschaltfelder, zumal für ein gegebenes Aspektverhältnis und gegebene Dicken der freien Schicht die magnetischen Umschaltfelder grob wie 1/√w oder 1/w, abhängig vom Zellkonzept, größer werden, wobei w die Weite der Speicherzelle darstellt. Somit wird ein feldgesteuertes Umschalten, d. h. eine Feldauswahl zunehmend schwieriger, falls die Weite w der Speicherzelle kleiner wird und folglich sind hohe Umschaltströme erforderlich.
  • Um dem Problem vergrößerter Umschaltströme in kleinen MRAM Zellen gerecht zu werden, wurde ein neues Konzept von MRAM Zellen mit Domänenwandumschaltung vom Erfinder dieser Anmeldung vorgeschlagen: siehe US 6,807,092 B1 von Braun.
  • 1 zeigt den grundlegenden Aufbau der neuen Speicherzelle mit Domänenwandumschaltung. Demnach weist eine MRAM Zelle einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 4 auf, der in der z-Richtung gestapelt ist und aus einer magnetischen Referenzschicht 1 und einer freien magnetischen Schicht 2 besteht, wobei die Schichten voneinander durch eine als Tunnelbarriere wirkende nichtmagnetische Zwischenschicht 3 aus isolierendem Material getrennt sind. Eine Magnetisierung 5 der Referenzschicht 1 ist in einer bestimmten Richtung fixiert oder gepinnt, die beispielsweise der in 1 gezeigten positiven x-Richtung entspricht. Ansonsten ist das magnetische Material der freien Schicht 2 möglicherweise entlang einer bevorzugten oder leichten Magnetisierungsachse magnetisiert, während deren Magnetisierung frei zwischen den beiden bevorzugten Richtungen der leichten Achse umgeschaltet werden kann. Die leichte Achse der freien Schicht wird typischerweise zur Magnetisierung 5 der fixierten oder gepinnten Referenzschicht 1 ausgerichtet und liegt demnach entlang der x-Richtung in 1.
  • In dem neuen Zellkonzept ist die freie Schicht 2 mit zwei Magnetisierungskomponenten magnetisiert, die zueinander entgegengesetzt ausgerichtet sind, nämlich einer ersten freien Magnetisierung 6 auf einer Seite (z. B. der linken Seite in 1) der freien Schicht 2 und in einer ersten Richtung zu einem Mittelbereich der freien Schicht (z. B. der positiven x-Richtung in 1) magnetisiert sowie einer zweiten freien Magnetisierung 7 auf der anderen Seite (z. B. der rechten Seite in 1) der freien Schicht 2 und in einer zweiten Richtung zum Mittelbereich der freien Schicht 2 (z. B. der negativen x-Richtung in 1) magnetisiert, wobei beide „Seiten" derart zu betrachten sind, dass diese sich auf verschiedene Seiten der freien Schicht 2 entlang der leichten Magnetisierungsachse beziehen. Da die ersten und zweiten freien Magnetisierungen 6, 7 entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind, wird eine magnetische Domänenwand 8 (oder Grenzschicht) zwischen denselbigen ausgebildet.
  • In 1 sind magnetische Reservoirs 9 unterhalb der freien Schicht 2 des MTJ 4 entlang gegenüberliegenden Kanten der freien Schicht 2 angeordnet, die entweder aus einem weichen magnetischen Material oder aus einem harten magnetischen Material ausgebildet sein können. Beide magnetischen Reservoirs 9 sind dauerhaft in derselben Richtung magnetisiert, was zu Magnetisierungen 10 führt, die orthogonal zur freien Schicht 2 liegen. In 1 zeigen die Magnetisierungen 10 in eine positive z-Richtung.
  • Die Magnetisierungen 10 der magnetischen Reservoirs 9 sind magnetisch an die freie magnetische Schicht 2 gekoppelt, um dadurch das magnetische Material der freien Schicht 2 in zu den magnetischen Reservoirs 9 benachbart liegenden Gebieten zu magnetisieren und dadurch oben beschriebene erste und zweite freie Magnetisierungen 6, 7 der freien Schicht 2, welche entgegengesetzt ausgerichtet sind, zu erzeugen.
  • Die magnetischen Reservoirs 9 werden ebenso als Reservoirs magnetischer „Frustration" (wie auch in Spingläsern üblich) bezeichnet, da benachbarte Reservoirs zu einer entgegengesetzten Ausrichtung ihrer Magnetisierungen neigen, um die gesamte magnetische Energie zu reduzieren.
  • In 1 ist eine Leiterbahn 11 zwischen beiden magnetischen Reservoirs 9 angeordnet, deren magnetische Felder magnetisch an die ersten und zweiten Magnetisierungen 6, 7 der freien Schicht 2 koppeln. Die magnetische Kopplung zwischen den magnetischen Feldern der Stromleiterbahn 11 und erster und zweiter Magnetisierungen 6, 7 kann zu einer Verschiebung oder Herausdrängung der verschiebbaren magnetischen Domänenwand 8 entlang der leichten Achse der freien Schicht 2 führen. Mit anderen Worten wird die Domänenwand 8 abhängig von der Richtung des durch die Leiterbahn 11 fließenden Stromes I (positive oder negative y-Richtung) in Richtung einer der Enden der freien Schicht 2 (positive oder negative x-Richtung) verschoben. Insbesondere wird die Domänenwand 8 bei Ausbreitung eines Stromes in der positiven y-Richtung in die negative x-Richtung verschoben und umgekehrt. Sobald die Domänenwand 8 in die positive oder negative x-Richtung verschoben wird, wird ein magnetisches Netto-Moment in der freien Schicht 2 erzeugt, was zu einer Magnetisierung führt, die entweder in paralleler oder antiparalleler Ausrichtung relativ zur fixierten Magnetisierung der Referenzschicht liegt. Ein Lesen der Information lässt sich mit bekannten Verfahren der Widerstandsmessung des MTJ 4 durchführen.
  • Somit kann die Speicherzelle unter Verwendung eines einzelnen Schreibstroms beschrieben werden, wobei der Schreibstrom durch eine Stromleiterbahn 11 unter Zuhilfenahme eines mit der Stromleiterbahn 11 leitfähig verbundenen Transistorschalters (nicht dargestellt) getrieben wird. Dieses Verfahren wird ebenso als „Silizium-Auswahl" („silicon-select") bezeichnet.
  • Numerische Simulationen zeigen, dass die magnetische Domänenwand zwischen den freien Magnetisierungen der freien Schicht bei Anlegen geringer Umschaltströme leicht aus der freien Schicht herausgedrängt werden kann. Der Aufbau verbleibt somit in einem stabilen Zustand („0” oder „1"), abhängig davon, ob die Grenzschicht auf die eine oder andere Seite der freien Schicht entlang deren leichter Achse herausgedrängt ist. Wird der Strom invertiert, fährt das Umschalten mit einem Wiederaufbau der Grenzschicht sowie einer Ablenkung entlang der Zelle in Richtung der anderen Kante fort. Das Konzept weist den Vorteil erheblich reduzierter Umschaltströme verglichen mit der bekannten Stoner-Wohlfahrt-Umschaltung auf. Beispielsweise ist bei einer Speicherzelle der Größe 40 × 100 × 3.75nm3 ein 2mA großer Umschaltstrom zum Umschalten der Speicherzelle und zum Erzielen eines Zustands ausreichend, der nach dem Ausschalten des Stroms stabil ist. Obwohl geringe Umschaltströme möglich sind, wird es als Nachteil hinsichtlich einer weiteren Verkleinerung der Speicherzelle angesehen, einen erforderlichen und verhältnismäßig großen Umschalttransistor für die Speicherzelle bereitzustellen.
  • Die Erfindung gibt ein neues Speicherzellenkonzept mit Domänenwandumschaltung an, das ein verbessertes Schreiben zur Erzielung einer weiteren Verkleinerung der Zelle ermöglicht. Erfindungsgemäß wird eine magnetoresistive Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) angegeben, die einen gestapelten Aufbau einschließlich eines magnetischen Tunnelübergangs (MTJ) aufweist. Der magnetische Tunnelübergang weist erste und zweite magnetische Gebiet aus einem magnetischen Material auf, die in paralleler, übereinanderliegender Weise gestapelt sind und voneinander durch eine Tunnelbarriere aus einem nichtmagnetischen Material getrennt sind. Das erste magnetische Gebiet weist eine fixierte oder gepinnte Magnetisierung benachbart zur Tunnelbarrierenschicht auf, während das zweite magnetische Gebiet ein magnetisches Material benachbart zur Tunnelbarrierenschicht aufweist, das mit einer bevorzugten Ausrichtung (oder mit einer leichten Achse) der Magnetisierung und somit bevorzugt entlang derselben oder entgegengesetzten Richtungen relativ zur fixierten Magnetisierung, die typischerweise parallel zur leichten Achse ausgerichtet ist, magnetisiert ist. Ein Umschalten der Magnetisierung der freien Schicht relativ zur Magnetisierung der Referenzschicht lässt sich durch Auswählen eines Materials für die freie Schicht erzielen, das eine geringere Koerzitivität als das Material der Referenzschicht aufweist. Die bevorzugte Achse der Magnetisierung der freien Schicht ist typischerweise auf eine Form- und/oder intrinsische Anisotropie zurückzuführen.
  • In der erfindungsgemäßen Speicherzelle besteht die Magnetisierung der freien Schicht aus ersten und zweiten freien (umschaltbaren) Magnetisierungen, die beide zur leichten Achse der freien Schicht und entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Eine entgegengesetzte Ausrichtung der ersten und zweiten freien Magnetisierungen führt zur Erzeugung einer magnetischen Domänenwand oder Grenzschicht zwischen diesen. Die ersten und zweiten freien Magnetisierungen können zu einem Mittelbereich der freien Schicht gerichtet sein; alternativ hierzu können die ersten und zweiten freien Magnetisierungen zu deren Randbereiche gerichtet sein.
  • Die ersten und zweiten freien Magnetisierungen werden durch Reservoirs magnetischer Frustration erzeugt, deren Magnetisierungen in dersel ben Richtung liegen und die magnetisch an die freie magnetische Schicht gekoppelt sind. Die Reservoirs magnetischer Frustration sind benachbart zur freien Schicht und entlang deren gegenüberliegender Kanten angeordnet.
  • Die magnetische Domänenwand (oder Grenzschicht) zwischen den ersten und zweiten freien Magnetisierungen ist (magnetisch) entlang beider Richtungen der leichten Achse der freien Schicht verschiebbar. Somit ist die freie magnetische Schicht magnetisch an magnetische Felder gekoppelt, die über erste und zweite Ströme erzeugt werden, und durch erste und zweite Leiterbahnen (typischerweise Schreib-Wort- und Bitleitungen), die sich in einem (typischerweise rechten) Kreuzungswinkel kreuzen, fließen, wobei ein MTJ typischerweise an deren Kreuzungspunkte zwischenliegend angeordnet ist.
  • In der erfindungsgemäßen MRAM Zelle ist die leichte Achse der Magnetisierung der freien Schicht, die parallel zur fixierten Magnetisierung der Referenzschicht liegt, unter einem von Null verschiedenen Neigungswinkel relativ zu sowohl den ersten und zweiten Leiterbahnen geneigt. Mit anderen Worten ist die leichte Achse nicht parallel zu den ersten oder zweiten Leiterbahnen ausgerichtet. In einer typischen Anordnung von ersten und zweiten sich im rechten Winkel kreuzenden Leiterbahnen liegt der Neigungswinkel der leichten Achse relativ zur ersten Leiterbahn und relativ zur zweiten Leiterbahn in einem Bereich von größer als 0° und kleiner als 90° und dieser beträgt vorzugsweise ungefähr 45°.
  • Somit weisen beide ersten und zweiten Leiterbahnen in der die erfindungsgemäßen MRAM Zelle wegen der Richtung der leichten Achse der freien Schicht relativ zu den ersten und zweiten Leiterbahnen jeweils eine magnetische Feldkomponente entlang der leichten Achse der freien Schicht auf.
  • Folglich umgeht die erfindungsgemäße MRAM Zelle das oben erwähnte Problem eines notwendigen großen Umschalttransistors für jede Speicherzelle, in dem ein Verfahren zur magnetischen Feldauswahl zum Auswählen (oder Schreiben) einer einzelnen Speicherzelle ermöglicht wird, falls eine Vektorsumme (oder Überlagerung) von magnetischen Feldkomponenten der ersten und zweiten Leiterbahnen, die die freie Schicht erreichen, oberhalb eines bestimmten kritischen Wertes (oder Schwellwertes) zum Umschalten der Speicherzelle liegt, wobei jedes einzelne der magnetischen Felder alleine betrachtet unterkritisch ist, was bedeutet, dass diese einen magnetischen Feldwert unterhalb des kritischen Wertes aufweisen. Somit kann erfindungsgemäß ein Verfahren zur magnetischen Feldauswahl zum Umschalten der Speicherzellen verwendet werden, wodurch Umschalttransistoren für jede einzelne der Speicherzellen obsolet werden und damit eine weitere Verkleinerung der Speicherzellen ermöglicht wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden Beschreibung verständlich.
  • 1 zeigt eine schematische Teildarstellung einer bekannten MRAM Zelle mit Reservoirs magnetischer Frustration;
  • 2 zeigt eine schematische perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen MRAM Zelle;
  • 3 zeigt eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen MRAM Zelle aus 2; und
  • 4 zeigt ein Stabilitätsdiagramm zum Umschalten der erfindungsgemäßen MRAM Zelle.
  • Die Erfindung wird im Folgenden detailliert mit Bezug zu den begleitenden Abbildungen beschrieben, wobei übereinstimmende Referenzzeichen dieselben oder ähnliche Elemente kennzeichnen.
  • In 2 und 3 wird eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle erläutert. Insbesondere zeigt 2 eine schematische perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen MRAM Zelle und 3 zeigt eine Aufsicht derselbigen.
  • Eine MRAM Zelle enthält einen in der z-Richtung gestapelten magnetischen Tunnelübergang (MTJ), der eine magnetische Referenzschicht und eine freie magnetische Schicht 2 unterhalb der Referenzschicht aufweist, wobei die beiden Schichten voneinander durch eine Tunnel-Zwischenschicht 3 getrennt sind. In 2 und 3 ist der vereinfachten Darstellung halber lediglich die freie Schicht 2 des MTJ gezeigt. Jede der Referenz- und freien Schichten kann aus einer Mehrzahl von Subschichten aufgebaut sein.
  • Die Referenzschicht weist eine fixierte oder gepinnte Magnetisierung auf (z.B. unter Verwendung einer in 2 nicht dargestellten Pinningschicht). Die freie Schicht 2 ist mit einer bevorzugten Achse (oder leichten Achse) der Magnetisierung ausgebildet, die auf eine Form- und/oder intrinsische Anisotropie zurückzuführen sein kann. Entsprechend kann das magnetische Material der freien Schicht 2 vorzugsweise in beiden Richtungen entlang dessen leichter Achse der Magnetisierung magnetisiert sein. Die fixierte Magnetisierung der Pinningschicht liegt parallel zur leichten Achse der Magnetisierung der freien Schicht.
  • Zudem sind eine erste Leiterbahn 11 parallel zur y-Richtung und eine zweite Leiterbahn 12 parallel zur x-Richtung unterhalb und oberhalb des MTJ angeordnet und diese kreuzen sich in einem rechten Winkel, während der MTJ an deren Kreuzungspunkt positioniert ist.
  • Reservoirs magnetischer Frustration 9 sind unterhalb der freien Schicht 2 entlang deren gegenüberliegender Kanten und in direktem Kontakt mit dieser sowie an gegenüberliegenden Seiten der ersten Leiterbahn und diese von oben und unten belegend angeordnet. Üblicherweise werden magnetische Reservoirs entweder aus einem weichen magnetischen Material oder einem harten magnetischen Material ausgebildet. Beide magnetischen Reservoirs 9 sind dauerhaft in derselben Richtung magnetisiert (z. B. der positiven z-Richtung wie in 2 gezeigt) und weisen Magnetisierungen 10 auf, die im Wesentlichen senkrecht zur freien Schicht 2 liegen. Die Magnetisierungen 10 der magnetischen Reservoirs 9 sind magnetisch an die freie Schicht 2 gekoppelt und verursachen dadurch eine Magnetisierung des magnetischen Materials der freien Schicht 2 in Bereichen, die benachbart zu den magnetischen Reservoirs 9 liegen. Somit werden erste und zweite Magnetisierungen 6, 7 der freien Schicht 2 erzeugt, die entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind und jeweils zu einem Mittelbereich der freien Schicht 2 gerichtet sind. Somit führen die dauerhaften Magnetisierungen 10 der magnetischen Reservoirs 9, die in negativer z-Richtung ausgerichtet sind, zu ersten und zweiten Magnetisierungen 6, 7, die entgegengesetzt ausgerichtet sind und von einem Mittelbereich der freien Schicht 2 zu deren Randbereichen gerichtet sind.
  • Zwischen ersten und zweiten freien Magnetisierungen 6, 7 der freien Schicht 2 wird eine magnetische Domänenwand 8 (oder Grenzschicht) erzeugt, die in Abhängigkeit von mit dieser gekoppelten magnetischen Felder magnetisch verschiebbar ist. Eine Kopplung von magnetischen Feldern der Leiterbahnen an die Magnetisierungen der freien Schicht 2 kann zu einem Herausdrängen der Grenzschicht der freien Schicht führen, während ein Invertieren der Ströme der Leiter bahnen die Grenzschicht wieder erzeugen kann und diese in Richtung der anderen Kante verschieben kann. Breitet sich der durch die Leiterbahn 11 in 2 fließende elektrische Strom in positiver y-Richtung aus und breitet sich gleichzeitig der durch die Leiterbahn 12 fließende elektrische Strom in negativer x-Richtung aus, so führt dies zu einem Verschieben der Domänenwand 8 in Richtung eines linksseitigen Abschlussbereichs der freien Schicht 2 und umgekehrt.
  • Somit ermöglicht die erfindungsgemäße MRAM Zelle eine magnetische Feldauswahl durch Erleichtern der Auswahl (oder des Schreibens) einzelner Speicherzellen, falls die Vektorsumme der magnetischen Felder beider Leiterbahnen 11, 12, die die freie Schicht erreichen, überkritisch ist und somit oberhalb eines kritischen Schwellwertes zum Umschalten der Magnetisierung der freien Schicht liegt (oder Herausdrängen bzw. Verschieben der Grenze in Richtung eines Abschlussbereichs der freien Schicht), während sonst keine Auswahl (oder ein Schreiben) auftritt, falls die Vektorsumme beider magnetischer Felder der Leiterbahnen 11, 12 unterkritisch ist und somit unterhalb des kritischen Schwellwerts zum Umschalten der Magnetisierung der freien Schicht liegt. Der letztere Fall wird typischerweise realisiert, falls das magnetische Feld von lediglich einer der Leiterbahnen 11, 12 die freie Schicht 2 erreicht („halbe Auswahl"). Mit anderen Worten wird die Speicherzelle lediglich dann umgeschaltet („volle Auswahl"), falls Ströme in beiden Leiterbahnen zur Erzeugung von an die freie Schicht gekoppelten magnetischen Feldern fließen. Die Möglichkeit des Einsatzes eines Feldauswahlverfahrens verdrängt Umschalttransistoren für jede der Speicherzellen.
  • In 4 ist ein typisches Stabilitätsdiagramm zum Umschalten der erfindungsgemäßen MRAM Zelle gezeigt. In 4 werden erste und zweite Leiterbahnen entsprechend als Bitleitung (BL) und Wortleitung (WL) gekennzeichnet. Wie in 4 gezeigt, kann ein Betriebsfenster 13 (schraffierter Bereich) für eine beliebige, ausgewählte Speicherzelle verwendet werden, das als (stilisierte) Stabilitätsgrenze gegen Domänenwandwanderung gegeben ist. Insbesondere wird eine Domänenwand erzeugt und durch die freie Schicht der Speicherzelle getrieben, falls die magnetische Feldkomponente von Wort- und/oder Bitleitungen entlang der leichten Magnetisierungsachse der freien Schicht einen kritischen Wert übersteigt. Für die halb ausgewählten Speicherzellen, die lediglich an magnetische Felder der Bitleitung oder der Wortleitung gekoppelt sind, ist das bei der freien magnetischen Schicht ankommende magnetische Feld entlang derer leichten Achse unterkritisch. Die magnetischen Felder von sowohl den Bit- und Wortleitungen müssen kombiniert werden (Vektorsumme), um ein überkritisches zusammengesetztes magnetisches Feld (vollständig ausgewählte Speicherzellen) zu erzielen.
  • Die europäischen Patentanmeldung EP 0 936 623 A2 , die deutsche Patentanmeldung DE 101 64 283 A1 und die internationale Anmeldung WO 2005/004163 A1 zeigen jeweils eine MRAM-Zelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • 1
    Referenzschicht
    2
    Freie Schicht
    3
    Tunnelbarrierenschicht
    4
    Magnetischer Tunnelübergang
    5
    Fixierte Magnetisierung
    6
    Freie Magnetisierung
    7
    Freie Magnetisierung
    8
    Grenzschicht
    9
    Magnetisches Reservoir
    10
    Dauerhafte Magnetisierung
    11
    Erste Leiterbahn
    12
    Zweite Leiterbahn
    13
    Betriebsfenster

Claims (3)

  1. Magnetoresistive Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) mit: einem magnetischen Tunnelübergang, der erste und zweite magnetische Gebiete in paralleler, übereinander liegender Weise gestapelt und von einer nicht-magnetischen Tunnelbarrierenschicht voneinander getrennt enthält, wobei das erste magnetische Gebiet eine Referenzschicht mit einer fixierten Magnetisierung benachbart zur Tunnelbarrierenschicht aufweist, das zweite magnetische Gebiet eine freie Schicht mit einer leichten Magnetisierungsachse und erste und zweite freie Magnetisierungen aufweist, die zur leichten Magnetisierungsachse entgegengesetzt zueinander ausgerichtet und durch eine magnetische Domänenwand getrennt sind; wobei die magnetische Domänenwand entlang der leichten Magnetisierungsachse der freien Schicht magnetisch verschiebbar ist, die freie Schicht magnetisch an Magnetfelder gekoppelt ist, die von ersten und zweiten Strömen erzeugt werden, welche durch sich unter einem Kreuzungswinkel kreuzende erste und zweite Leiterbahnen fließen und die leichte Achse der freien Schicht unter einem Neigungswinkel relativ zu sowohl den ersten als auch den zweiten Leiterbahnen geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die MRAM-Zelle mit zusätzlichen Reservoirs magnetischer Frustration versehen ist, die magnetisch an die freie Schicht gekoppelt sind, wo bei die Reservoirs magnetischer Frustration benachbart zur freien Schicht entlang deren gegenüberliegenden Kanten angeordnet sind
  2. MRAM-Zelle nach Anspruch 1, wobei der Kreuzungswinkel ungefähr 90° beträgt.
  3. MRAM-Zelle nach Anspruch 2, wobei der Neigungswinkel ungefähr 45° beträgt.
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