DE102018115209A1 - Crosspoint-Spin-Akkumulations-Drehmoment-MRAM - Google Patents

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Abstract

Vorrichtungen, Systeme und Verfahren für einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher sind offenbart. Eine Vielzahl von Leseleitungen ist in einer Leseleitungsschicht angeordnet, und eine Vielzahl von Schreibleitungen ist in einer Schreibleitungsschicht angeordnet. Eine Vielzahl von Spin-Akkumulationsleitungen ist in einer Spin-Akkumulationsleitungsschicht angeordnet, die zwischen einer Leseleitungsschicht und einer Schreibleitungsschicht angeordnet ist. Spin-Akkumulationsleitungen können Leseleitungen und Schreibleitungen horizontal kreuzen. Eine Vielzahl von vertikalen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher-(MRAM)-Zellen können Polarisatoren und magnetische Tunnelübergänge aufweisen. Eine vertikale MRAM-Zelle kann einen Polarisator aufweisen, der zwischen einer Spin-Akkumulationsleitung und einer Schreibleitung geschaltet ist. Eine vertikale MRAM-Zelle kann ferner einen magnetischen Tunnelübergang aufweisen, der zwischen einer Spin-Akkumulationsleitung und einer Leseleitung geschaltet ist, so dass der magnetische Tunnelübergang und der Polarisator vertikal ausgerichtet sind.

Description

  • FACHGEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft in zahlreichen Ausführungsformen magnetoresistive Direktzugriffspeicher und im Speziellen eine Crosspoint-Architektur für Spin-Akkumulations-Drehmoment- Direktzugriffspeicher.
  • HINTERGRUND
  • Zahlreiche Arten von magnetoresistivem Direktzugriffspeicher (MRAM) speichern Daten unter Verwendung von magnetischen Tunnelübergängen. Ein magnetischer Tunnelübergang (MTJ) kann „feste“ und „freie“ magnetische Schichten umfassen, wobei ein magnetisches Moment der freien Schicht parallel oder nichtparallel zu einem magnetischen Moment der festen Schicht geschaltet werden kann. Eine dünne dielektrische oder Barriereschicht kann die festen und freien Schichten trennen und Strom kann über die Barriereschicht aufgrund von Quanten-Tunneln fließen. Ein Widerstandsunterschied zwischen parallelen und nichtparallelen Zuständen ermöglicht die Speicherung von Daten. Beispielsweise kann ein niedriger Widerstand einer Binärzahl „1“ und eine hoher Widerstand einer Binärzahl „0“ entsprechen. Alternativ dazu kann ein niedriger Widerstand einer Binärzahl „0“ und ein hoher Widerstand einer Binärzahl „1“ entsprechen.
  • In einer Crosspoint-Speicheranordnung kann auf eine Zelle unter Verwendung einer ersten leitfähigen Leitung, die mit einer Zellzeile verbunden ist und einer zweiten leitfähigen Leitung, die mit einer Zellspalte verbunden ist, zugegriffen werden. Beispielsweise kann ein Datenwert aus einer Zelle ausgelesen werden, indem eine Spannung an eine Zeilenleitung angelegt wird und die Stromstärke an der Spaltenleitung abgefühlt wird, um den Widerstand der Zelle zu bestimmten. Nichtsdestotrotz kann die Stromstärke an der Spaltenleitung von einer „Sneak-Stromstärke“ durch andere Zellen in der Anordnung beeinträchtigt sein. Sneak-Strom kann Daten in umliegenden Zellen während eines Schreibvorgangs stören, die Zuverlässigkeit von Lesevorgängen verringern und den Leistungsverbrauch (und Wärmeerzeugung) einer Speichervorrichtung insgesamt erhöhen. Dementsprechend können bestimmte Speichervorrichtungen Schalt- oder Auswahlkomponenten wie Transistoren, Zener-Dioden o.ä. umfassen, die den Verluststrom durch nichtgewählte Zellen beschränken. Nichtsdestotrotz können Auswahlkomponenten einer Anordnung Fläche zufügen und somit die Zelldichte und Speicherkapazität insgesamt verringern. Zusätzlich dazu können Auswahlkomponenten, die den Sneak-Strom während Lese- und Schreibvorgängen beschränken, einen Kompromiss zwischen gewünschten Eigenschaften für Lesevorgänge, Schreibvorgänge und Lebensdauer darstellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es werden Vorrichtungen für magnetoresistive Direktzugriffspeicher vorgestellt. In einer Ausführungsform befindet sich eine Vielzahl an Leseleitungen in einer Leseleitungsschicht. In einer bestimmten Ausführungsform befindet sich eine Vielzahl an Schreibleitungen in einer Schreibleitungsschicht. In einer weiteren Ausführungsform befindet sich eine Vielzahl an Spin-Akkumulationsleitungen in einer Spin-Akkumulationsleitungsschicht, die sich zwischen einer Leseleitungsschicht und einer Schreibleitungsschicht befindet. In einer Ausführungsform kreuzen Spin-Akkumulationsleitungen Leseleitungen und Schreibleitungen horizontal. Eine Vielzahl an vertikalen magnetoresistiven Direktzugriffspeicher- (MRAM-) Zellen umfassen Polarisatoren und magnetische Tunnelübergänge. Eine vertikale MRAM-Zelle umfasst einen Polarisator, der zwischen einer Spin-Akkumulationsleitung und einer Schreibleitung gekoppelt ist. Eine vertikale MRAM-Zelle umfasst ferner einen magnetischen Tunnelübergang, der zwischen einer Spin-Akkumulationsleitung und einer Leseleitung gekoppelt ist, sodass der magnetische Tunnelübergang und der Polarisator vertikal ausgerichtet sind.
  • Es werden Systeme für magnetoresistive Direktzugriffspeicher vorgestellt. In einer Ausführungsform umfasst eine MRAM-Anordnung eine Vielzahl an Leseleitungen. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst eine MRAM-Anordnung einer Vielzahl an Schreibleitungen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine MRAM-Anordnung eine Vielzahl an Spin-Akkumulationsleitungen, die zwischen Leseleitungen und Schreibleitungen angeordnet sind. In bestimmten Ausführungsformen liegen Spin-Akkumulationsleitungen senkrecht zu Leseleitungen und Schreibleitungen. In einer Ausführungsform umfasst eine MRAM-Anordnung eine Vielzahl an MRAM-Zellen. In einer bestimmten Ausführungsform umfassen MRAM-Zellen Schreibauswahlelemente, Polarisatoren, magnetische Tunnelübergänge und Leseauswahlelemente. In einer Ausführungsform sind Schreibauswahlelemente und Polarisatoren in Serie zwischen Spin-Akkumulationsleitungen und Leseleitungen gekoppelt. In einer bestimmten Ausführungsform führt eine Steuerung Lesevorgänge und Schreibvorgänge für eine MRAM-Anordnung durch, indem sie Spannungen für Leseleitungen, Schreibleitungen und Spin-Akkumulationsleitungen steuert.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung Mittel, um einen Datenwert magnetoresistiv zu speichern. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung Mittel für die Akkumulation von magnetischen Spins neben einem Mittel für die magnetoresistive Speicherung eines Datenwerts, um einen gespeicherten Datenwert zu ändern. In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung Mittel für die Spin-Polarisation eines elektrischen Schreibstroms, um akkumulierte magnetische Spins zu erzeugen. In bestimmten Ausführungsformen sind ein Mittel für das magnetoresistive Speichern eines Datenwerts, Mittel für das Akkumulieren von magnetischen Spins und Mittel für die Spin-Polarisation in einer magnetoresistiven Crosspoint-Speicheranordnung vertikal ausgerichtet.
  • Figurenliste
  • Eine genauere Beschreibung ist im Folgenden mit Verweis auf bestimmte Ausführungsformen umfasst, die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht werden. Mit dem Verständnis, dass diese Zeichnungen nur bestimmte Ausführungsformen der Offenbarung darstellen und daher nicht den Schutzumfang einschränken sollen, wird die Offenbarung mit zusätzlicher Spezifität und Details mittels der beiliegenden Zeichnungen beschrieben und erklärt, in denen:
    • 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems ist, das einen magnetoresistive Direktzugriffspeicher (MRAM) aufweist;
    • 2 ein schematisches Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines MRAM-Nacktchips veranschaulicht;
    • 3 ein schematisches Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform einer vertikalen MRAM-Zelle veranschaulicht;
    • 4 eine perspektivische Ansicht ist, die eine Ausführungsform einer MRAM-Anordnung veranschaulicht;
    • 5 eine perspektivische Ansicht ist, die eine weitere Ausführungsform einer MRAM-Anordnung veranschaulicht;
    • 6 eine Draufsicht ist, die eine weitere Ausführungsform einer MRAM-Anordnung veranschaulicht;
    • 7 ein elektrisches Schaltbild ist, das eine Ausführungsform von Schreibspannungen für eine MRAM-Anordnung veranschaulicht;
    • 8 ein elektrisches Schaltbild ist, das eine weitere Ausführungsform von Schreibspannungen für eine MRAM-Anordnung veranschaulicht;
    • 9 ein elektrisches Schaltbild ist, das eine Ausführungsform von Lesespannungen für eine MRAM-Anordnung veranschaulicht;
    • 10 ein elektrisches Schaltbild ist, das eine Ausführungsform von Schreibspannungen für eine MRAM-Anordnung unter Verwendung von spannungsgesteuerter magnetischer Anisotropie veranschaulicht;
    • 11 ein schematisches Flussdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer MRMA-Anordnung veranschaulicht; und
    • 12 ein schematisches Flussdiagramm ist, das eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer MRAM-Anordnung veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung können als Vorrichtung, System Verfahren oder Computerprogrammprodukt ausgeführt sein. Dementsprechend können Aspekte der vorliegenden Offenbarung die Form einer reinen Hardware-Ausführung, einer reinen Software-Ausführung (einschließlich Firmware, Resident-Software, Mikrocode oder dergleichen) oder einer Ausführung annehmen, die Software- und Hardware-Aspekte kombiniert, die im Allgemeinen hierin als eine „Schaltung“, „Modul“, „Vorrichtung“ oder „System“ bezeichnet werden. Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung die Form eines Computerprogrammprodukts annehmen, das in einem oder mehreren nichttransistorischen computerlesbaren Speichermedien ausgeführt ist, die computerlesbaren und/oder -ausführbaren Programmcode speichern.
  • Viele der in dieser Beschreibung beschriebenen Funktionseinheiten wurden als Module bezeichnet, um ihrer Ausführungsunabhängigkeit noch stärker zu betonen. Beispielsweise kann ein Modul als Hardware-Schaltung ausgeführt sein, das Anwender-VLSI-Schaltungen oder Gate-Arrays, handelsübliche Halbleiter, wie Logikchips, Transistoren oder andere diskrete Komponenten aufweist. Ein Modul kann außerdem in programmierbaren Hardware-Vorrichtungen, wie feldprogrammierbaren Gate-Arrays, programmierbaren Logikanordnungen, programmierbaren Logikvorrichtungen oder dergleichen ausgeführt sein.
  • Module können außerdem, zumindest teilweise, in Software für die Ausführung durch unterschiedliche Prozessorarten ausgeführt sein. Ein identifiziertes Modul von ausführbarem Code kann, beispielsweise einen oder mehrere physische oder logische Blöcke von Computerbefehlen aufweisen, die z.B. als Gegenstand, Vorgang oder Funktion organisiert werden können. Nichtsdestotrotz müssen ausführbare Elemente eines identifizierten Moduls nicht notwendigerweise physisch nebeneinander liegen, sondern können unterschiedliche Befehle aufweisen, die an unterschiedlichen Orten gespeichert sind und wenn sie logisch miteinander verbunden werden, das Modul aufweisen und den erklärten Zweck für dieses Modul erfüllen.
  • Tatsächlich kann ein Modul von ausführbarem Code einen einzigen Befehl oder viele Befehle umfassen und sogar über einige unterschiedliche Codesegmente, zwischen unterschiedlichen Programmen, über zahlreiche Speichervorrichtungen oder dergleichen verteilt sein. Wenn ein Modul oder ein Teil eines Moduls in Software ausgeführt sind, können die Softwareteile auf einem oder mehreren computerlesbaren und/oder -ausführbaren Speichermedien gespeichert sein. Es kann eine beliebige Kombination aus einem oder mehreren computerlesbaren Speichermedien genutzt werden. Ein computerlesbares Speichermedium kann z.B. aber nicht ausschließlich ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, -Gerät oder -Vorrichtung oder eine geeignete Kombination aus den Genannten, jedoch keine propagierenden Signale umfassen. Im Kontext dieses Dokuments kann ein computerlesbares und/oder -ausführbares Speichermedium ein beliebiges greifbares und/oder nichttransistorisches Medium sein, das ein Programm zur Verwendung durch oder in Kombination mit einem Befehlsausführungssystem, -gerät, -prozessor oder -vorrichtung enthalten oder speichern kann.
  • Computerprogrammcode zur Durchführung von Vorgängen für Aspekte der vorliegenden Offenbarung können in einer beliebigen Kombination aus einer oder mehreren Programmiersprachen geschrieben sein, einschließlich einer objektorientierten Programmiersprache wie Python, Java, Smalltalk, C++, C#, Objective C o.ä., herkömmlicher prozeduraler Programmiersprachen, wie die „C“-Programmiersprache, Skriptprogrammiersprachen und/oder weitere ähnliche Programmiersprachen. Der Programmcode kann teilweise oder vollständig auf einem oder mehreren Anwendercomputern und/oder einem Remote-Computer oder Server über ein Datennetzwerk oder dergleichen ausgeführt werden.
  • Eine Komponente, wie hierin verwendet, weist eine greifbare, physische, nichttransistorische Vorrichtung auf. Beispielsweise kann eine Komponente als Hardware-Logikschaltung ausgeführt sein, die Anwender-VLSI-Schaltungen, Gate-Arrays oder andere integrierte Schaltungen; handelsübliche Halbleiter, wie Logik-Chips, Transistoren oder andere diskrete Vorrichtungen; und/oder andere mechanische oder elektrische Vorrichtungen aufweist. Eine Komponente kann eine oder mehrere Silicium-integrierte Schaltungsvorrichtungen (z.B. Chips, Nacktchips, Nacktchip-Ebenen, Gehäuse) oder andere diskrete elektrische Vorrichtungen aufweisen, die in elektrischer Kommunikation mit einer oder mehreren weiteren Komponenten über elektrische Leitungen einer Leiterplatte (PCB) oder dergleichen stehen. Jedes der hierin beschriebenen Module kann in bestimmten Ausführungsformen alternativ als eine Komponente ausgeführt oder umgesetzt sein.
  • Eine Schaltung, wie hierin verwendet, weist einen Satz von einer oder mehreren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten auf, die eine oder mehrere Pfade für elektrischen Strom bereitstellen. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Schaltung eine Rückleitung für elektrischen Strom umfassen, sodass die Schaltung ein geschlossener Regelkreis ist. In einer weiteren Ausführungsform jedoch kann ein Satz an Komponenten, der keine Rückleitung für elektrischen Strom enthält, als eine Schaltung (z.B. ein offener Regelkreis) bezeichnet werden. Beispielsweise kann eine integrierte Schaltung als eine Schaltung bezeichnet werden, unabhängig davon, ob die integrierte Schaltung mit der Erde verbunden ist (als Rückleitung für elektrischen Strom) oder nicht. In zahlreichen Ausführungsformen kann eine Schaltung einen Abschnitt einer integrierten Schaltung, eine integrierte Schaltung, einen Satz integrierter Schaltungen, einen Satz nichtintegrierter elektrischer und/oder elektronsicher Komponenten mit oder ohne integrierte Schaltungsvorrichtungen oder dergleichen umfassen. In einer Ausführungsform kann eine Schaltung Anwender-VLSI-Schaltungen, Gate-Arrays oder andere integrierte Schaltungen; handelsübliche Halbleiter, wie Logik-Chips, Transistoren oder andere diskrete Vorrichtungen; und/oder andere mechanische oder elektrische Vorrichtungen umfassen. Eine Schaltung kann außerdem als synthetisierte Schaltung in einer programmierbaren Hardware-Vorrichtung, wie einer Field-Programmable-Gate-Array, programmierbaren Anordnungslogik, programmierbaren Logikvorrichtung oder dergleichen (z.B. als Firmware, Netlist, o.ä.) ausgeführt sein. Eine Schaltung kann ein eine oder mehrere Silicium-integrierte Schaltungsvorrichtungen (z.B. Chips, Nacktchips, Nacktchip-Ebenen, Gehäuse) oder andere diskrete elektrische Vorrichtungen aufweisen, die in elektrischer Kommunikation mit einer oder mehreren weiteren Komponenten über elektrische Leitungen einer Leiterplatte (PCB) oder dergleichen stehen. Jedes der hierin beschriebenen Module kann in bestimmten Ausführungsformen als eine Schaltung ausgeführt sein.
  • Verweise in dieser Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ oder ähnliche Formulierungen bedeutet eine spezielle Funktion, Struktur oder Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, ist in zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst. Daher kann sich das Auftreten des Ausdrucks „in einer Ausführungsform“ und ähnlicher Formulierungen in dieser Beschreibung, obwohl nicht zwingenderweise, auf die gleiche Ausführungsform beziehen, bedeutet jedoch „eine oder mehrere aber nicht alle Ausführungsformen“, sofern nicht explizit anderweitig angeführt. Die Bezeichnungen „umfassend“, „aufweisend“, „enthaltend“ und Variationen davon bedeuten „einschließlich aber nicht ausschließlich“, sofern nicht explizit anderweitig angeführt. Eine Aufzählung der Elemente impliziert nicht, dass sich ein beliebiges oder alle Elemente gegenseitig ein- und/oder ausschließen, sofern nicht explizit anderweitig angeführt. Die Bezeichnungen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ beziehen sich auch auf „ein oder mehrere“, sofern nicht anderweitig angegeben.
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind im Folgenden in Bezug auf schematische Flussdiagramme und/oder schematische Blockdiagramme von Verfahren, Vorrichtungen, Systemen und Computerprogrammprodukten nach den Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben. Es gilt zu verstehen, dass jeder Block der schematischen Flussdiagramme und/oder schematischen Blockdiagrammen und Kombinationen von Blöcken in den schematischen Flussdiagrammen und/oder den schematischen Blockdiagrammen durch Computerprogrammbefehle ausgeführt werden kann. Diese Computerprogrammbefehle können einem Prozessor eines Computers oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden, um eine Maschine zu erzeugen, sodass die Befehle, die über den Prozessor oder andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtungen ausführen, Mittel zur Umsetzung der Funktionen und/oder Handlungen schaffen, die in dem schematischen Flussdiagramm- und/oder schematischen Blockdiagrammblock oder -blöcken spezifiziert werden.
  • Es gilt außerdem anzumerken, dass in manchen alternativen Ausführungsformen, die im Block vermerkten Funktionen nicht in der in den Figuren beschriebenen Reihenfolge auftreten können. Beispielsweise können zwei Blöcke, die hintereinander gezeigt werden, tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder die Blöcke können manchmal in umgedrehter Reihenfolge, je nach betreffender Funktionalität, ausgeführt werden. Es kommen weitere Schritte und Verfahren in Frage, die im Hinblick auf Funktion, Logik oder Wirkung äquivalent zu einem oder mehreren Blöcken oder Teilen davon aus den dargestellten Figuren sind. Obwohl zahlreiche Arten von Pfeilen und Linien in den Fluss- und/oder Blockdiagrammen eingesetzt werden können, sollen sie nicht den Schutzumfang der entsprechenden Ausführungsformen einschränken. Beispielsweise kann ein Pfeil einen Warte- oder Überwachungszeitraum von unbestimmter Dauer zwischen aufgezählten Schritten der dargestellten Ausführungsform darstellen.
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, die einen Teil davon ausmachen. Die obige Zusammenfassung ist rein illustrativ und soll in keiner Weise als Einschränkung verstanden werden. Zusätzlich zu den bereits beschriebenen illustrativen Aspekten, Ausführungsformen und Funktionen, werden weitere Aspekte, Ausführungsformen und Funktionen durch Verweise auf die Zeichnungen und die folgende detaillierte Beschreibung offenkundig. Die Beschreibung der Elemente in jeder Figur kann sich auf die Elemente von folgenden Figuren beziehen. Gleiche Zahlen können sich auf gleiche Elemente in den Figuren beziehen, einschließlich alternativer Ausführungsformen gleicher Element.
  • 1 zeigt ein System 100, das einen magnetoresistiven Direktzugriffspeicher (MRAM) 150 aufweist. In der abgebildeten Ausführungsform umfasst das System eine Rechnervorrichtung 110. In zahlreichen Ausführungsformen kann sich eine Rechnervorrichtung 110 auf eine elektronische Vorrichtung beziehen, die zu Berechnungen in der Lage ist, indem sie arithmetische oder logische Operationen auf elektronischen Daten durchführt. Beispielsweise kann eine Rechnervorrichtung 110 ein Server, eine Workstation, ein Desktop-Computer, ein Laptop-Computer, ein Tablet, ein Smartphone ein Steuersystem für eine weitere elektronische Vorrichtung, eine Netzwerk-verbundene Speichervorrichtung, eine Blockvorrichtung auf einem Speichernetzwerk, ein Router, ein Netzwerkschalter oder dergleichen sein. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Rechnervorrichtung 110 ein nichttransistorisches, computerlesbares Speichermedium enthalten, das computerlesbare Befehle speichert, die konfiguriert sind, um die Rechnervorrichtung 110 dazu zu veranlassen, Schritte von einem oder mehreren der hierin offenbarten Verfahren durchzuführen.
  • In der abgebildeten Ausführungsform umfasst die Rechnervorrichtung 110 einen Prozessor 115, einen Arbeitsspeicher 130 und Speicher 140. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann sich ein Prozessor 115 auf ein beliebiges elektronisches Element beziehen, das die von der Rechnervorrichtung durchgeführten arithmetischen oder logischen Operationen ausführt. In einer Ausführungsform beispielsweise kann der Prozessor 115 ein Universalprozessor sein, der gespeicherten Programmcode ausführt. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Prozessor 115 ein Field-Programmable-Gate-Array (FPGA), ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) oder dergleichen sein, der mit vom Arbeitsspeicher 130 und/oder dem Speicher 140 gespeicherten Daten arbeitet. In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Prozessor 115 eine Steuerung für eine Speichervorrichtung (z.B. auf einem Speichernetzwerk), einer Netzwerkvorrichtung oder dergleichen sein.
  • In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Prozessor 115 einen Cache 120. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann ein Cache 120 Daten zur Verwendung durch den Prozessor 115 speichern. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Cache 120 kleiner und schneller als der Arbeitsspeicher 130 sein und Daten an häufig genutzten Orten von Arbeitsspeicher 130 oder dergleichen duplizieren. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Prozessor 115 eine Vielzahl an Caches 120 umfassen. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann ein Cache 120 eine oder mehrere Arten eines Arbeitsspeichermediums zur Speicherung von Daten umfassen, wie einen statischen Direktzugriffspeicher (SRAM) 122, magnetoresistiven Direktzugriffspeicher (MRAM) 150 oder dergleichen. In einer Ausführungsform beispielsweise kann ein Cache 120 SRAM 122 umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Cache 120 MRAM 150 umfassen. In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Cache 120 eine Kombination aus SRAM 122, MRAM 150 und anderen Arbeitsspeichermedienarten umfassen.
  • In einer Ausführungsform ist der Arbeitsspeicher 130 mit dem Prozessor 115 über einen Speicherbus 135 verbunden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Arbeitsspeicher 130 Daten speichern, die direkt vom Prozessor 115 abrufbar sind. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann ein Arbeitsspeicher 130 eine oder mehrere Arten an Arbeitsspeichermedien für die Datenspeicherung umfassen, wie einen dynamischen Direktzugriffspeicher (DRAM) 132, MRAM 150 oder dergleichen. In einer Ausführungsform beispielsweise kann ein Arbeitsspeicher 130 DRAM 132 umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Arbeitsspeicher 130 MRAM 150 umfassen. In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Arbeitsspeicher 130 eine Kombination aus DRAM 132, MRAM 150 und/oder anderen Arbeitsspeichermedienarten umfassen.
  • In einer Ausführungsform ist der Speicher 140 mit dem 115 über einen Speicherbus 145 verbunden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Speicherbus 145 ein peripherer Bus der Rechnervorrichtung 110 sein, wie ein periphere Komponentenschnittstelle-Express- (PCI-Express- oder PCIe-) Bus, ein Serial-Advanced-Technology-Attachment- (SATA-) Bus, ein Parallel-Advanced-Technology-Attachment- (PATA-) Bus, ein kleiner Computersystemschnittstellen- (SCSI-) Bus, ein FireWire-Bus, eine Fibre-Channel-Verbindung, ein universeller serieller Bus (USB), ein PCIe-Advanced-Switching- (PCIe-AS-) Bus oder dergleichen. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann der Speicher 140 Daten speichern, die nicht direkt vom Prozessor 115 abrufbar sind, sondern auf die über eine oder mehrere Speichersteuerungen zugegriffen werden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann der Speicher 140 größer als der Arbeitsspeicher 130 sein. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann ein Speicher 140 eine oder mehrere Arten an Speichermedien zur Datenspeicherung umfassen, wie eine Festplatte, NAND-Flasharbeitsspeicher 142, MRAM 150 oder dergleichen. In einer Ausführungsform beispielsweise kann ein Speicher 140 NAND-Flasharbeitsspeicher 142 umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Speicher 140 MRAM 150 umfassen. In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Speicher 140 eine Kombination aus NAND-Flasharbeitsspeicher 142, MRAM 150 und/oder anderen Speichermedienarten umfassen.
  • In unterschiedlichen Ausführungsformen kann MRAM 150 genutzt werden, um Daten in einem Cache 120, Arbeitsspeicher 130, Speicher 140 und/oder anderen Komponenten, die Daten speichern, zu speichern. In der dargestellten Ausführungsform beispielsweise umfasst die Rechnervorrichtung 110 MRAM 150 im Cache 120, Arbeitsspeicher 130 und Speicher 140. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Rechnervorrichtung 110 MRAM 150 für Arbeitsspeicher 130 und andere Arten von Arbeitsspeicher- oder Speichermedien für Cache 120 oder Speicher 140 nutzen. Im Gegensatz dazu kann eine Rechnervorrichtung 110 in einer weiteren Ausführungsform MRAM 150 für Speicher 140 und andere Arten von Arbeitsspeichermedien für Cache 120 und Arbeitsspeicher 130 nutzen. Zusätzlich dazu können manche Arten von Rechnervorrichtung 110 Arbeitsspeicher 130 ohne Speicher 140 umfassen (z.B. in einer Mikrosteuerung) wenn der Arbeitsspeicher 130 nichtflüchtig ist und können Arbeitsspeicher 130 ohne Cache 120 für spezialisierte Prozessoren 115 oder dergleichen umfassen.
    Zahlreiche Kombinationen von Cache 120, Arbeitsspeicher 130 und/oder Speicher 140 und Verwendungen von MRAM 150 für Cache 120, Arbeitsspeicher 130, Speicher 140 und/oder anderen Anwendungen werden im Hinblick dieser Offenbarung offenkundig.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann die MRAM 150 ein(e/n) oder mehrere Chips, Pakete, Nacktchips oder integrierte Schaltvorrichtungen aufweisen, die einen magnetoresistiven Speicher aufweisen, welcher auf einer oder mehreren Platinen, Speichergehäusen und/oder anderen mechanischen und/oder elektrischen Trägerstrukturen angeordnet ist. Beispielsweise können ein oder mehrere doppelreihige Speichermodule (DIMMs), eine oder mehrere Expansionskarten und/oder Tochterkarten, ein Halbleiterlaufwerk (SSD) oder eine sonstige Speichervorrichtung und/oder ein anderer Speicher und/oder Speicherformfaktor die MRAM 150 aufweisen. Die MRAM 150 kann mit einer Hauptplatine der Rechnervorrichtung 110 einstückig ausgebildet und/oder darauf montiert sein, in einem Anschluss und/oder Schlitz der Rechnervorrichtung 110 installiert sein, auf einer unterschiedlichen Rechnervorrichtung 110 und/oder einer zweckgebundenen Speicheranwendung auf einem Netzwerk installiert sein, in Kommunikation mit einer Rechnervorrichtung 110 über einen externen Bus oder dergleichen.
  • Die MRAM 150 kann in verschiedenen Ausführungsformen eine oder mehrere MRAM-Nacktchips aufweisen, die eine oder mehrere MRAM-Anordnungen aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen weist die MRAM Leseleitungen in einer Leseleitungsschicht, Schreibleitungen in einer Schreibleitungsschicht, Spin-Akkumulationsleitungen in einer Spin-Akkumulationsschicht zwischen der Leseleitungsschicht und der Schreibleitungsschicht, wobei die Spin-Akkumulationsleitungen die Leseleitungen und die Schreibleitungen horizontal kreuzen, und eine Vielzahl von vertikalen MRAM-Zellen zum Speichern von Daten auf. In weiteren Ausführungsformen weist eine vertikale MRAM-Zelle einen Polarisator und einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) auf, wobei der Polarisator elektrisch zwischen einer Spin-Akkumulationsleitung und einer Schreibleitung geschaltet ist, der MTJ elektrisch zwischen der Spin-Akkumulationsleitung und einer Leseleitung geschaltet ist, und der MTJ vertikal auf der anderen Seite der Spin-Akkumulationsleitung vom Polarisator ist. MRAM 150 wird unter Bezugnahme auf 2 bis 12 weiter unten näher beschrieben.
  • Im Allgemeinen können in verschiedenen Ausführungsformen Dreipol-Speicherzellen getrennte Strompfade zum Lesen und Schreiben bereitstellen. Die Verwendung von getrennten Strompfaden zum Lesen und Schreiben kann verbesserte Ausdauer im Vergleich zu Zweipol-Zellen, die denselben Strompfad für Lesen und Schreiben verwenden, bereitstellen. Allerdings können bestimmte Typen von Dreipol-Zellen eine größere Fläche beanspruchen als Zweipol-Zellen, entweder für die Zelle selbst oder für zugeordnete Schaltung, wie Auswahlkomponenten, wodurch die Speicherkapazität verringert ist. Im Gegensatz dazu können in bestimmten Ausführungsformen vertikale MRAM-Zellen, die mit Leseleitungen, Schreibleitungen und Spin-Akkumulationsleitungen gekoppelt sind, mit einer Dichte, die mit Zweipol-Zellen vergleichbar ist, getrennte Lese- und Schreibstrompfade bereitstellen. Außerdem können in manchen Ausführungsformen vertikale MRAM-Zellen getrennte Lese- und Schreibauswahlelemente auf den getrennten Lese- und Schreibstrompfaden aufweisen, was eine Auswahl der Leseauswahlelemente basierend auf ihrer Leistungsfähigkeit in Bezug auf Lesevorgänge und eine Auswahl der Schreibauswahlelemente basierend auf ihrer Leistungsfähigkeit in Bezug auf Schreibvorgänge ermöglicht. Im Gegensatz dazu können Vorrichtungen, die dasselbe Auswahlelement für Lese- und Schreibvorgänge verwenden einen Kompromiss zwischen Leseleistungsfähigkeit und Schreibleistungsfähigkeit darstellen und können eine geringere Ausdauer aufweisen.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform eines MRAM-Nacktchips 150. Der MRAM-Nacktchip 150 kann im Wesentlichen dem in Bezug auf 1 beschriebenen MRAM 150 ähnlich sein. Der MRAM-Nacktchip 150 weist in der dargestellten Ausführungsform eine Anordnung 200 von MRAM-Zellen, Zeilenschaltungen 202, Spaltenschaltungen 204 und eine Nacktchip-Steuerung 206 auf.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann sich ein MRAM-Nacktchip 150 auf eine integrierte Schaltung beziehen, die sowohl eine Kern-Anordnung 200 von MRAM-Zellen (z.B. einschließlich MTJs und Polarisatoren) zur magnetoresistiven Datenspeicherung als auch periphere Komponenten (z.B. Zeilenschaltungen 202, Spaltenschaltungen 204, und/oder Nacktchip-Steuerung 206) zur Kommunikation mit der Anordnung 200 aufweist. In bestimmten Ausführungsformen können ein oder mehrere MRAM-Nacktchips in einem Speichermodul, einer Speichervorrichtung oder dergleichen enthalten sein.
  • In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet die Anordnung 200 eine Vielzahl von MRAM-Zellen zur Datenspeicherung. In einer Ausführungsform kann die Anordnung 200 eine zweidimensionale Anordnung sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Anordnung 200 eine dreidimensionale Anordnung sein, die mehrere Ebenen und/oder Schichten von MRAM-Zellen aufweist. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Anordnung 200 durch Zeilen über Zeilenschaltungen 202 und durch Spalten über Spaltenschaltungen 204 ansteuerbar sein.
  • Die Nacktchip-Steuerung 206 kooperiert in bestimmten Ausführungsformen mit den Zeilenschaltungen 202 und den Spaltenschaltungen 204, um Speichervorgänge auf der Anordnung 200 durchzuführen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Nacktchip-Steuerung 206 Komponenten, wie eine Leistungssteuerungsschaltung, welche die den Zeilenschaltungen 202 und Spaltenschaltungen 204 während der Speichervorgänge zugeführte Leistung und Spannung steuert, einen Adressen-Dekodierer, der eine empfangene Adresse in eine von den Zeilenschaltungen 202 und Spaltenschaltungen 204 verwendete Hardwareadresse umwandelt, eine Zustandsmaschine, welche die Speichervorgänge steuert, und dergleichen aufweisen. Die Nacktchip-Steuerung 206 kann über die Leitung 208 mit einer Rechnervorrichtung 110, einem Prozessor 115, einer Bussteuerung, einer Speichervorrichtungssteuerung, einer Speichermodulsteuerung oder dergleichen kommunizieren, um Befehls- und Adressinformationen, Übertragungsdaten oder dergleichen zu empfangen.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform einer vertikalen MRAM-Zelle 300. In verschiedenen Ausführungsformen kann die MRAM-Zelle 300 ein Teil einer Vielzahl von MRAM-Zellen 300 in einer MRAM-Anordnung sein, wie etwa der Anordnung 200 von 2. In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet die vertikale MRAM-Zelle 300 ein Schreibauswahlelement 302, einen Polarisator 304, eine Spin-Akkumulationsschicht oder Leitung 306, einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 320 und ein Leseauswahlelement 314. In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet der MTJ 320 eine freie Schicht 308, eine Barriereschicht 310 und eine feste Schicht 312. Drei Anschlüsse 322, 324, 326 sind der Einfachheit halber in Bezug auf die Stromflüsse dargestellt. In bestimmten Ausführungsformen kann eine MRAM-Zelle 300 Metall- oder sonstige leitfähige Anschlüsse 322, 324, 326 zum Koppeln der MRAM-Zelle 300 mit den Leitungen einer MRAM-Anordnung 200 aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können hingegen die Leitungen einer Anordnung 200 direkt mit der MRAM-Zelle 300 gekoppelt sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können Schichten der MRAM-Zelle 300 durch verschiedene Techniken ausgebildet oder aufgebracht sein, wie physikalische Dampfabscheidung, Sputtern oder dergleichen. In bestimmten Ausführungsformen können weitere Schichten, die in 3 nicht gezeigt sind, wie Deck- oder Keimschichten, in einer MRAM-Zelle 300 oder im Verlauf der Herstellung der MRAM-Zelle 300 enthalten sein.
  • Ein MTJ 320 weist in der dargestellten Ausführungsform eine feste oder Bezugsschicht 312 mit einem festen oder festgelegten magnetischen Moment auf, das durch einen einfachen Pfeil gekennzeichnet ist. In einer weiteren Ausführungsform weist ein MTJ 320 eine freie Schicht 308 mit einem magnetischen Moment auf, das verändert oder umgeschaltet werden kann und durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet ist. Eine dünne dielektrische oder Barriereschicht 310 kann die feste Schicht 312 von der freie Schicht 308 trennen, und Strom kann aufgrund von Quanten-Tunneln durch die Barriereschicht 310 fließen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron durch die Barriereschicht 310 tunnelt, ist höher, wenn das magnetische Moment der festen Schicht 312 und der freien Schicht 308 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen (hier als Parallelzustand für den MTJ 320 bezeichnet), und geringer, wenn das magnetische Moment der festen Schicht 312 und der freien Schicht 308 im Wesentlichen antiparallel zueinander sind (hier alt Antiparallelzustand für den MTJ 320 bezeichnet). Aus diesem Grund kann ein elektrischer Widerstand über durch den MTJ 320 im Antiparallelzustand höher sein als im Parallelzustand.
  • In verschiedenen Ausführungsformen ermöglicht eine Widerstandsdifferenz zwischen dem Parallel- und dem Antiparallelzustand eines MTJ 320 das Speichern von Daten. Beispielsweise kann ein geringer Widerstand einer Binärzahl „1“ und ein großer Widerstand einer Binärzahl „0“ entsprechen. Alternativ dazu kann ein geringer Widerstand einer Binärzahl „0“ und ein großer Widerstand einer Binärzahl „1“ entsprechen.
  • Die feste oder Bezugsschicht 312 beinhaltet in einer Ausführungsform ein ferromagnetisches Material mit einem festen oder festgelegten magnetischen Moment. Wie hier verwendet, kann der Begriff „ferromagnetisch“ verwendet werden, um auf ein beliebiges Material Bezug zu nehmen, das zu spontaner Magnetisierung fähig ist (z.B. in Abwesenheit eines von außen angelegten Magnetfelds magnetisiert zu bleiben). Somit kann sich ein „ferromagnetisches“ Material auf ein rein ferromagnetisches Material (z.B. bei dem einzelne mikroskopische magnetische Momente vollständig einheitlich ausgerichtet sind) oder auf ein ferromagnetisches Material (z.B. bei dem einzelne mikroskopische magnetische Momente teilweise uneinheitlich ausgerichtet sind) beziehen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich ein „festes“ oder „festgelegtes“ magnetisches Moment auf ein magnetisches Moment, das im Wesentlichen zumindest hinsichtlich der Orientierung konstant ist, während das magnetische Moment der freien Schicht 308 verändert oder umgedreht ist. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine feste Schicht 312 ein ferromagnetisches Material mit einer größeren Koerzitivkraft als ein ferromagnetisches Material einer freien Schicht 308 aufweisen. In einer solchen Ausführungsform kann ein äußeres Magnetfeld die Magnetisierung sowohl der festen Schicht 312 als auch der freien Schicht 308 verändern, jedoch mit stärkerer Wirkung für die freie Schicht 308. In einer anderen Ausführungsform kann eine feste Schicht 312 einen ferromagnetischen Dünnfilm mit einem magnetischen Moment aufweisen, das durch Austauschkopplung mit einem Antiferromagnet festgelegt ist. Beispielweise kann in einer Ausführungsform eine feste Schicht 312 einen synthetischen Antiferromagnet (z.B. eine Kobalt/Eisen- und Ruthenium-Mehrfachschicht), ein Ruthenium- oder Iridium-Abstandselement und eine ferromagnetische Schicht mit einer Kobalt/Eisen/Bor-Legierung (CoFeB) aufweisen.
  • Das magnetische Moment der festen Schicht 312 kann in verschiedenen Ausführungsformen einen Bezug für die Orientierung des magnetischen Moments der freien Schicht 308 bereitstellen. Beispielsweise kann in verschiedenen Ausführungsformen das gesamte magnetische Moment der freien Schicht 308 parallel oder antiparallel zum magnetischen Moment der festen Schicht 312 sein. Somit ist die feste Schicht 312 mit einem Bezugsmagnetmoment dargestellt, das durch einen einfachen Pfeil gekennzeichnet ist, und das parallele oder antiparallele magnetische Moment der freien Schicht 308 ist durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet.
  • Die Barriereschicht 310 ist in verschiedenen Ausführungsformen zwischen der festen oder Bezugsschicht 312 und der freien Schicht 308 angeordnet. In bestimmten Ausführungsformen weist die Barriereschicht 310 ein dielektrisches Material, wie Magnesiumoxid (MgO), auf. In bestimmten Ausführungsformen kann die Barriereschicht 310 weniger als 20 Angstrom dick sein, so dass Quanten-Tunneln von Elektronen über die Barriereschicht 310 ermöglicht, dass Strom durch den MTJ 320 fließt.
  • Im Allgemeinen kann die freie Schicht 308 in verschiedenen Ausführungsformen ein ferromagnetisches Material mit einem magnetischen Moment aufweisen, dass in Bezug auf das magnetische Moment der festen Schicht 312 verändert, umgeschaltet oder umgedreht werden kann. Das Verändern des magnetischen Moments der freien Schicht 308 verändert den elektrischen Widerstand des MTJ 320, was ein Speichern von Daten ermöglicht. In bestimmten Ausführungsformen kann ein ferromagnetisches Material der freien Schicht 308 eine CoFeB-Legierung aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann die freie Schicht 308 Mehrfachschichten basierend auf Übergangsmetallen, wie Kobalt und Eisen, und Edelmetalle, wie Platin, Palladium und Gold, aufweisen. Manche Beispiele beinhalten Kobalt/Palladium, Kobalt/Platin und Kobalt/Nickel. In bestimmten Ausführungsformen kann das Lesen von Daten das Beaufschlagen eines Stroms aus dem Anschluss T1 322 auf den Anschluss T3 326 beinhalten, um den Widerstand des MTJ 320 abzufühlen.
  • Das Lesen von Daten aus einem MTJ 320 kann in verschiedenen Ausführungsformen Messen, Detektieren oder Abfühlen eines Widerstands des MTJ 320 beinhalten (z.B. Anzeigen, ob der MTJ 320 sich in einem Parallel- oder Antiparallelzustand befindet). Beispielsweise kann in einer Ausführungsform eine bekannte Spannung an die freie Schicht 308, die Barriereschicht 310 und die feste Schicht 312 angelegt werden, und der resultierende Strom kann gemessen oder abgefühlt werden, um den Widerstand zu detektieren. In einer anderen Ausführungsform kann ein bekannter Strom auf die freie Schicht 308, die Barriereschicht 310 und die feste Schicht 312 beaufschlagt werden, und der resultierende Spannungsabfall auf dem MTJ 320 kann gemessen oder abgefühlt werden, um den Widerstand zu detektieren. In bestimmten Ausführungsformen kann eine MRAM-Anordnung 200 oder ein MRAM-Nacktchip 150 Leseverstärker, Latches und dergleichen aufweisen, um ein geringes Leistungssignal in einen logischen, eine 1 oder eine 0 darstellenden Pegel, umzuwandeln und die umgewandelten Daten zu speichern.
  • Das Schreiben von Daten auf einen MTJ 320 kann in verschiedenen Ausführungsformen das Einstellen oder Verändern des magnetischen Moments der freien Schicht 308 beinhalten, so dass der MTJ 320 sich im gewünschten Parallel- oder Antiparallelzustand befindet. Verschiedene Typen von MRAM stellen verschiedene Arten der Einstellung des magnetischen Moments der freien Schicht 308 bereit. Bei Spintransferdrehmoment- (STT-) MRAM können Daten geschrieben werden, indem ein spinpolarisierter elektrischer Strom durch einen MTJ 320 geleitet wird, um das magnetische Moment der freien Schicht 308 zu verändern. Allerdings können starke Schreibströme durch den MTJ 320 die Abnutzung der Barriereschicht 310 beschleunigen, und spinpolarisierte Leseströme können die gespeicherten Daten beeinträchtigen oder verändern. Im Gegensatz dazu können bei Spin-Orbit-Drehmoment- (SOT-) MRAM Daten geschrieben werden, indem ein elektrischer Strom über ein Spin-Halleffekt-Material, das benachbart zur freien Schicht 308 ist, beaufschlagt wird, wodurch ein reiner Spin-Strom zur Veränderung des magnetischen Moments der freien Schicht 308 erzeugt wird. Schreiben unter Verwendung eines reinen Spin-Stroms kann die Zuverlässigkeit und Datenerhaltung im Vergleich zu STT-MRAM verbessern. Allerdings können starke elektrische Ströme zur Erzeugung des Spin-Stroms zu Schwierigkeiten bei der Konzeption im Hinblick auf Erhitzen, hohen Stromverbrauch, große Transistorgrößen zum Schalten von starken Strömen und dergleichen führen. Darüber hinaus können SOT-MRAM größere Zellgrößen (oder geringere Zelldichten) als STT-MRAM aufweisen, aufgrund von externen Vorspannungsmagneten zum Schalten eines senkrechten magnetischen Moments basierend auf In-der-Ebene-polarisierten Spin-Strömen oder aufgrund von Skalierungsschwierigkeiten im Zusammenhang mit dem In-der-Ebene-Magnetmoment für MTJs 320.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist die MRAM-Zelle 300 eine Spin-Akkumulationsdrehmoment- (SAT) MRAM-Zelle 300. In einer SAT-MRAM-Zelle 300 ist eine Spin-Akkumulationsschicht 306 elektrisch mit dem magnetischen Tunnelübergang 320 verbunden, und ein ferromagnetischer Polarisator 304 ist elektrisch mit der Spin-Akkumulationsschicht 306 verbunden. Durch den Polarisator 304 verlaufender Strom kann spinpolarisiert werden, weil der Polarisator 304 ferromagnetisch ist. Somit kann ein durch den Polarisator 304 und die Spin-Akkumulationsschicht 306 fließender elektrischer Strom zu einer Akkumulation von Spins in der Spin-Akkumulationsschicht 306 führen. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Schreibstrom in eine Richtung, vom Anschluss T3 326 zum Anschluss T2 324, zu Spins führen, die in eine Richtung polarisiert sind und sich in der Spin-Akkumulationsschicht 306 häufen, und ein Schreibstrom in die Gegenrichtung, vom Anschluss T2 324 zum Anschluss T3 326, kann zu Spins führen, die in die Gegenrichtung polarisiert führen und sich in der Spin-Akkumulationsschicht 306 häufen.
  • In einer bestimmten Ausführungsform kann die Spin-Akkumulationsschicht 306 benachbart zu oder in direktem Kontakt mit der freien Schicht 308 sein. Somit können Spins, die sich in der Spin-Akkumulationsschicht 306 häufen, vertikal in die freie Schicht 308 diffundieren. Hat sie die entgegengesetzte magnetische Polarisierung in Bezug auf die der freien Schicht 308, kann diese Spindiffusion in die freie Schicht 308 das magnetische Moment der freien Schicht 308 beeinflussen, so dass der MTJ 320 sich im gewünschten Parallel- oder Antiparallelzustand befindet. Dementsprechend kann eine SAT-MRAM-Zelle 300 auf den Parallel- oder Antiparallelzustand eingestellt werden, indem Schreibstrom über den Polarisator 304 und die Spin-Akkumulationsschicht 306 für den einen Zustand in eine erste Richtung, oder für den anderen Zustand in eine entgegengesetzte Richtung geleitet wird.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann der SAT-MRAM eine bessere Dauerhaftigkeit als der STT-MRAM oder eine Dauerhaftigkeit, die der des SOT-MRAM ähnlich ist, bereitstellen, weil der Schreibstrom zwischen dem Anschluss T2 324 und Anschluss T3 326 nicht über den MTJ 320 fließt und daher keine Abnutzung der Barriereschicht 310 verursacht. Darüber hinaus kann das Erzeugen von Spins durch Polarisierung (wie bei STT-MRAM) anstelle der Verwendung des Spin-Halleffekts (wie bei SOT-MRAM) eine Datenspeicherung mit niedrigeren Schreibströmen als bei SOT-MRAM und mit einer Dichte (und Kapazität) ähnlich wie bei STT-MRAM bereitstellen.
  • In bestimmten Ausführungsformen hat der Polarisator 304 eine feste Magnetisierungsrichtung (durch einen einfachen Pfeil gekennzeichnet) und kann in direktem Kontakt (oder in gutem elektrischem Kontakt) mit der Spin-Akkumulationsschicht 306 angeordnet sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Magnetisierung des Polarisators 304 parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der festen Schicht 312 sein. In weiteren Ausführungsformen umfasst der Polarisator 304 ein spinpolarisiertes ferromagnetisches Material. Beispielsweise kann der Polarisator 304 eine Legierung aus Kobalt und Eisen, eine Legierung aus Kobalt und Mangan oder ein sonstiges geeignetes ferromagnetisches Material sein.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann die Spin-Akkumulationsschicht 306 ein Leiter, wie etwa ein Metall, eine Legierung, ein dotierter Halbleiter oder dergleichen, mit hoher Leitfähigkeit, langer Spindiffusionslänge und guten Spinvermischungs-Grenzflächeneigenschaften mit dem Polarisator 304 sein, um die Spininjektion und -akkumulation zu erleichtern. Beispiele für Materialien, die zur Umsetzung der Spin-Akkumulationsschicht 306 verwendet werden können, umfassen Silber, Kupfer, Legierungen aus Silber/Kupfer, Aluminium und/oder Graphene. Es können auch andere geeignete Materialien mit langer Spindiffusionslänge und/oder guter Spintransparenz mit dem Polarisator 304 und der freien Schicht 308 verwendet werden. Daher kann, während eine Spin-Halleffekt-Schicht für SOT-MRAM ein (Schwer-)Metall mit hoher Spin-Orbit-Kopplung (und im Allgemeinen entsprechend hohem spezifischen Widerstand und kurzer Spindiffusionslänge) ist, eine Spin-Akkumulationsschicht 306 für eine SAT-MRAM-Zelle 300 ein stark leitendes Material sein, das Spinstrom ohne weiteres vom Polarisator 304 zur freien Schicht 308 leitet.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist die Spin-Akkumulationsschicht 306 als Schicht innerhalb einer einzigen MRAM-Zelle 300 gezeigt. Allerdings kann in verschiedenen Ausführungsformen eine leitfähige Spin-Akkumulationsschicht 306 ein Abschnitt einer leitenden Leitung zum Zugriff auf die Zelle 300 sein. Beispielsweise können in einer Ausführungsform die Spin-Akkumulationsschicht 306 und der mit der Spin-Akkumulationsschicht 306 gekoppelte Anschluss T3 326 durch eine einzige leitende Leitung ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann eine einzige leitende Leitung oder Ebene von mehreren MRAM-Zellen 300 gemeinsam als Spin-Akkumulationsschicht 306 verwendet werden, die über einen Leseanschluss T1 322 für Lesevorgänge oder über einen Schreibanschluss T2 324 für Schreibvorgänze einzeln angesteuert werden können. (Wie oben beschrieben, würde Lesestrom zwischen dem Leseanschluss T1 322 und dem Spin-Akkumulationsanschluss T3 326 verlaufen, und Schreibstrom würde in beide Richtungen zwischen dem Schreibanschluss T2 324 und dem Spin-Akkumulationsanschluss T3 326 verlaufen.) Eine durch eine leitende Leitung ausgebildete Spin-Akkumulationsschicht 306, die von mehreren MRAM-Zellen 300 gemeinsam genutzt werden kann oder nicht, kann dementsprechend als Spin-Akkumulationsschicht 306 bezeichnet werden, wenn auf eine einzige Zelle 300 Bezug genommen wird, oder als Spin-Akkumulationsleitung bezeichnet werden, wenn auf eine Anordnung 200 von Zellen 300 Bezug genommen wird. SAT-MRAM-Zellen 300, einschließlich MTJs 320, Spin-Akkumulationsschichten 306 und Polarisatoren 304, sind in der US-Patentanmeldung Nr. 15/440,129 mit dem Titel „SPIN ACCUMULATION TORQUE MRAM“, eingereicht am 23. Februar 2017 von Goran Mihajlovic et al., beschrieben, die hier durch Verweis aufgenommen ist.
  • In der dargestellten Ausführungsform sind das magnetische Moment der festen Schicht 312, der freien Schicht 308 und des Polarisators 304 senkrecht auf die Barriereschicht 310. Wie hier verwendet können Begriffe wie „in der Ebene“ und „senkrecht“ verwendet werden, um eine Richtung oder Ausrichtung in Bezug auf eine Schicht eines MTJ320 (z.B. eine Vektormenge, ein magnetisches Moment, eine Magnetisierung, eine Stromdichte oder dergleichen) zu beschreiben. In einer Ausführungsform beziehen sich der Begriff „senkrecht“ auf eine Richtung in rechten Winkeln zu einer Oberfläche einer Schicht (z.B. in 3 vertikal) und der Begriff „in der Ebene“ eine Richtung parallel zu einer Oberfläche der Schicht (z.B. in 3 horizontal). In einer anderen Ausführungsform kann jedoch ein Vektor, eine Orientierung oder Richtung eine Kombination aus senkrechten und In-der-Ebene-Komponenten umfassen, und kann, abhängig davon, ob die senkrechte Komponente oder die In-der-Ebene-Komponente größer ist, als entweder „senkrecht“ oder „in der Ebene“ beschrieben werden. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform, in der ein magnetisches Moment Nicht-Null-in-der-Ebene- und senkrechte Komponenten umfasst, dennoch als magnetisches Moment „in der Ebene“ Beschrieben werden, wenn die In-der-Ebene-Komponente größer ist als die senkrechte Komponente.
  • In bestimmten Ausführungsformen können SAT-MRAM-Zellen 300 mit senkrechter Magnetisierung für die feste Schicht 312, die freie Schicht 308 und den Polarisator 304 die Skalierbarkeit für Anordnungen 200 mit hoher Dichte erleichtern. Jedoch kann in einer anderen Ausführungsform eine Anordnung 200 SAT-MRAM-Zellen 300 mit In-der-Ebene-Magnetisierung für die feste Schicht 312, die freie Schicht 308 und den Polarisator 304 umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Anordnung 200 eine Mischung aus senkrechten und In-der-Ebene-Zellen 300 umfassen. Allerdings können Zellen 300 mit In-der-Ebene-Magnetisierung Skalierungsschwierigkeiten im Vergleich zu Zellen 300 mit senkrechter Magnetisierung aufweisen.
  • In der dargestellten Ausführungsform umfasst die MRAM-Zelle 300 ein Leseauswahlelement 314 und ein Schreibauswahlelement 302. Im Allgemeinen kann in verschiedenen Ausführungsformen ein Auswahlelement, wie ein Leseauswahlelement 314 oder ein Schreibauswahlelement 302, eine Vorrichtung oder Komponente sein, die elektrischen Stromfluss basierend darauf, ob eine Spannung einer Schwelle genügt, beschränkt oder zulässt. Die Auswahlelemente 302, 314 können in bestimmten Ausführungsformen einen elektrischen Strom als Antwort darauf, dass eine Spannung einer Schwelle genügt, zulassen. Umgekehrt können die Auswahlelemente 302, 314 in verschiedenen Ausführungsformen einen elektrischen Strom als Antwort darauf, dass eine Spannung einer Schwelle nicht genügt, beschränken.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können Begriffe in Bezug auf durch ein Auswahlelement 302, 314 fließenden Strom, wie „zulassen“ und „beschränken“, „ein“ oder „aus“ oder dergleichen, relative Begriffe sein, so dass ein „zulässiger“ Strom signifikant höher ist als ein „beschränkter“ Strom. Ein geringer Leckstrom kann jedoch fließen, wenn das Auswahlelement 302, 314 sich im „Aus“- oder Strombegrenzungszustand befindet, und ein Nicht-Null-Widerstand kann auftreten, wenn das Auswahlelement 302,314 sich im „Ein“- oder Stromzulassungszustand befindet. Beispielsweise kann eine p-n-Übergangsdiode sich hinsichtlich eines elektrischen Stroms im „Ein“- oder „Zulassungszustand“ befinden, wenn eine Vorwärts-Vorspannung die eingebaute Spannungsdifferenz des Übergangs überschreitet und die Steigung der Strom/Spannungskurve hoch ist, und sich hinsichtlich eines elektrischen Stroms im „Aus“- oder Begrenzungszustand befinden, wenn die Vorwärts-Vorspannung die eingebaute Spannungsdifferenz des Übergangs nicht überschreitet und die Neigung der Strom/Spannungskurve niedrig ist, oder wenn eine Sperrspannung (mit geringerem Ausmaß als eine Durchschlagspannung) keinen signifikanten Stromfluss zulässt. Ein gewisser Leckstrom kann jedoch vorliegen, wenn die Diode ausgeschaltet ist. Gleichermaßen kann ein Auswahlelement 302, 314 als einen elektrischen Strom „beschränkend“ anstatt „zulassend“ bezeichnet werden, selbst wenn nur ein geringer Leckstrom vorliegt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann eine „Schwelle“ für eine Spannung eine beliebige Spannung sein, die eine Grenze zwischen Strom-beschränkenden und Stromzulassenden Zuständen für ein Auswahlelement 302, 314 definiert, beschreibt oder einer solchen entspricht. Eine an ein Auswahlelement 302, 314 angelegte Spannung kann als der Schwelle genügend bezeichnet werden, wenn das Auswahlelement 302, 314 einen Strom zulässt, und als der Schwelle nicht genügend bezeichnet werden, wenn das Auswahlelement 302, 314 einen Strom beschränkt. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Auswahlelement 302,314 bidirektionale Strömungen (z.B. Strom in eine Richtung beim Schreiben einer Binärzahl Null auf eine MRAM-Zelle 300 und in eine entgegengesetzte Richtung zum Schreiben einer Binärzahl Eins) zulassen, und ein Schreibauswahlelement 302 kann positive und negative Spannungsschwellen aufweisen, so dass das Schreibauswahlelement 302 einen Strom in eine Richtung zulässt, wenn eine positive angelegte Spannung der positiven Spannungsschwelle genügt, und einen Strom in die andere Richtung zulässt, wenn eine negative angelegte Spannung der negativen Spannungsschwelle genügt. In einer weiteren Ausführungsform kann ein bipolares Schreibauswahlelement 302 einen Strom für einen Bereich von angelegten Spannungen zwischen der positiven und der negativen Schwelle beschränken.
  • Die Auswahlelemente 302, 314 können verschiedene Arten von Auswahlmaterial enthalten, die Strom bei unterschiedlichen Spannungen zulassen oder beschränken, etwa als inhärente Materialeigenschaft (z.B. bei einem einschichtigen Auswahlelement 302, 314) und/oder als Eigenschaft einer Grenzfläche zwischen Materialien (z.B. bei einem mehrschichtigen Auswahlelement 302, 314). Beispielsweise kann ein Auswahlelement 302,314 in einer Ausführungsform als einschichtiges Auswahlelement 302, 314 eine Schicht aus Ovonic-Schwellenschaltungs- (OTS) Material umfassen, die Strom basierend auf einer Phasenänderung zulässt oder beschränkt. In einer anderen Ausführungsform kann ein Auswahlelement 302, 314 abwechselnd Schichten aus n-Typ- und p-Typ-Material (z.B. n-p-n, oder p-n-p) umfassen, so dass die abwechselnden Schichten einen Strom zulassen, wenn eine Spannung am vorwärtsvorgespannten p-n-Übergang das eingebaute Potential übersteigt und eine Spannung des in Sperrrichtung vorgespannten p-n-Übergang die Zener-Spannung für Quanten-Tunneling, Lawinendurchbruch, oder dergleichen übersteigt. In bestimmten Ausführungsformen können n-Typ- und p-Typ-Material dotiertes Silizium, Poly-Silizium, Oxid-Halbleiter oder dergleichen umfassen. Verschiedene Auswahlelemente 302, 314, wie Metall-Isolierelement-Metall-Auswahlelemente, Verbund-Auswahlelemente mit gemischter ionisch-elektronischer Leitfähigkeit, Metall-Isolierelement-Übergangsauswahlelemente unter Verwendung von Übergangsmetalloxiden, wie Vanadiumoxid oder Niobiumoxid oder dergleichen, gehen aus dieser Offenbarung hervor.
  • In bestimmten Ausführungsformen können die Auswahlelemente 302, 314 ein hohes Ein-Aus-Verhältnis bereitstellen (z.B. ein Verhältnis der Ströme zwischen den Stromzulassenden und Strom-beschränkenden Zuständen). Beispielsweise kann ein Ein-Aus-Verhältnis 10^7 oder mehr betragen. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Ein-Aus-Verhältnis hohe Stromstärken für ausgewählte Zellen 300 mit niedrigem Leckstrom für nichtgewählte Zellen 300 bereitstellen.
  • Im Allgemeinen, in verschiedenen Ausführungsformen, kann eine Zelle 300 einer Anordnung 200 für das Lesen oder Schreiben von Daten ausgewählt werden und Spannungen können angelegt werden, sodass ein Leseauswahlelement 314 oder ein Schreibauswahlelement 302 für die gewählte Zelle 300 einen Lesestrom bzw. einen Schreibstrom als Antwort auf eine angelegte Spannung unter einer Schwelle erlaubt, während die Auswahlelemente 302, 314 für Zellen 300 außer den ausgewählten Zellen 300 Leckströme als Antwort auf Spannungen beschränken, die nicht unter den Schwellen für die Auswahlelemente 302, 314 liegen.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist das Leseauswahlelement 314 elektrisch in Serie mit einem magnetischen Tunnelübergang 320 in einem Lesestrompfad zwischen Terminal T1 322 und Anschluss T3 326 verbunden. Beispielsweise kann das Leseauswahlelement 314 in einer Anordnung 200 elektrisch in Serie mit dem magnetischen Tunnelübergang 320 zwischen einer Spin-Akkumulationsleitung und einer Leseleitung verbunden sein. In der dargestellten Ausführungsform ist das Schreibauswahlelement 302 elektrisch in Serie mit dem Polarisator 304 in einem Schreibstrompfad zwischen Anschluss T2 324 und Anschluss T3 326 verbunden. Beispielsweise kann das Schreibauswahlelement 302 in einer Anordnung 200 elektrisch in Serie mit dem Polarisator 304 zwischen einer Spin-Akkumulationsleitung und einer Schreibleitung verbunden sein. In der dargestellten Ausführungsform ist das Leseauswahlelement 314 zwischen dem Leseanschluss T1 322 (oder einer Leseleitung einer Anordnung 200) und der festen Schicht 312 des MTJ 320 angeordnet, während das Schreibauswahlelement 302 zwischen dem Schreibanschluss T2 324 (oder einer Schreibleitung einer Anordnung 200) und dem Polarisator 304 angeordnet ist. Somit liegen der Polarisator 304, die Spin-Akkumulationsschicht 306 und die freie Schicht 308 nebeneinander, um die Spindiffusion in die freie Schicht 308 zu erleichtern.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann das Schreiben in die Zelle 300 Schreibströme in beide Richtungen zwischen dem Schreibanschluss T2 324 und dem Spin-Akkumulationsanschluss T3 326 umfassen, je nachdem, ob sich der MTJ 320 im Parallel- oder Antiparallelzustand befindet. Somit kann das Schreibauswahlelement 302 in bestimmten Ausführungsformen ein bipolares Auswahlelement sein, das Strom in beide Richtungen als Antwort auf eine positive oder negative Spannung, die einer Schwelle entspricht, ermöglicht. In einer weiteren Ausführungsform kann das Lesen aus der Zelle 300 Leseströme zwischen dem Leseanschluss T1 322 und dem Spin-Akkumulationsanschluss T3 326 für das Abfühlen des Widerstands (und somit des Zustands) des MTJ 320 umfassen. Der Widerstand der Zelle 300 kann basierend auf einem Lesestrom in beide Richtungen detektiert werden. In bestimmten Ausführungsformen kann das Leseauswahlelement 314 ein bipolares Auswahlelement sein. Nichtsdestotrotz kann, obwohl die Verwendung von sowohl Parallel- als auch Antiparallelzustand das Zulassen von Schreibströmen in beide Richtungen beinhaltet, eine einzige Richtung für einen Lesestrom ausgewählt und Strom in die andere Richtung beschränkt werden. Somit kann ein Leseauswahlelement 314 in bestimmten Ausführungsformen ein unipolares Auswahlelement sein, das Strom nur in eine Richtung als Antwort auf eine Spannung unter einer Schwelle zulässt.
  • Da SAT-MRAM-Zelle 300 separate Strompfade für Lese- und Schreibvorgänge bereitstellt, können Leseauswahlelemente 314 und Schreibauswahlelemente 302 in verschiedenen Ausführungsformen physisch getrennte Vorrichtungen sein, die von einem Hersteller basierend auf Parametern von Lese- und Schreibvorgängen getrennt ausgewählt und konfiguriert wurden. Beispielsweise können Leseströme niedriger als Schreibströme sein, um die in Zelle 300 gespeicherten Daten nicht zu stören und sie können in eine durchgängige Richtung sein. Somit kann ein Leseauswahlelement 314 in einer Ausführungsform ein unipolares Auswahlelement sein, das für niedrige Leseströme in eine Richtung konfiguriert ist und ein Schreibauswahlelement 302 kann ein bipolares Auswahlelement sein, das konfiguriert ist, um hohe Schreibströme in beide Richtungen zuzulassen. Bestimmte Arten von Auswahlelementen, die für hohe bidirektionale Schreibströme geeignet sind, können für niedrige Leseströme weniger geeignet sein. Im Gegenzug können bestimmte Arten von Auswahlelementen, die für niedrige Leseströme geeignet sind, außerdem eine geringe Dauerhaftigkeit aufweisen, wenn sie für das Zulassen von hohen bidirektionalen Schreibströmen genutzt werden. Dementsprechend können Vorrichtungen, wie STT-MRAM-Vorrichtungen, die den gleichen Strompfad für Lese- und Schreiboperationen nutzen, ein einziges Auswahlelement umfassen, jedoch kann die Konfiguration des Auswahlelements ungewünschte Kompromisse zwischen Leseleistung, Schreibleistung und Dauerhaftigkeit widerspiegeln. Im Gegensatz dazu kann eine SAT-MRAM-Zelle 300 mit getrennten Strompfaden für Lese- und Schreiboperationen ein Leseauswahlelement 314 und ein getrenntes Schreibauswahlelement 302 umfassen, die getrennt für Leistung und Lebensdauer basierend auf den Parametern der Lese- und Schreiboperationen konfiguriert sind.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist die MRAM-Zelle 300 vertikal ausgerichtet. Wie hierin verwendet bezieht sich eine „vertikale“ Richtung auf eine Richtung, die normal auf Schichten wie z.B. die Barriereschicht 310 steht (oder die eine vorwiegend normale Komponente aufweist) und eine „horizontale“ Richtung bezieht sich auf eine In-Ebene- oder eine In-Schicht-Richtung. Eine MRAM-Zelle 300 kann als vertikale MRAM-Zelle 300 auf Basis der vertikalen Ausrichtung der Schichten bezeichnet werden. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der magnetische Tunnelübergang 320 über die Spin-Akkumulationsschicht oder -leitung 306 hinweg dem Polarisator 304 gegenüberliegend sein, sodass sich der magnetische Tunnelübergang 320 und der Polarisator 304 auf derselben vertikalen Achse befinden. Ähnlich dazu können sich das Leseauswahlelement 314 und das Schreibauswahlelement 302 auf derselben vertikalen Achse wie der magnetische Tunnelübergang 320 und der Polarisator 304 befinden, sodass das Leseauswahlelement 314 und das Schreibauswahlelement 302 vertikal mit dem magnetischen Tunnelübergang 320 und dem Polarisator 304 ausgerichtet sind. Eine Fehlausrichtung von Komponenten kann im Aufbringungsprozess auftreten. Beispielsweise können Ränder der Schichten nicht perfekt ausgerichtet sein. Allerdings kann die Zelle 300 trotzdem als vertikal bezeichnet werden, auf Basis der Anordnung von Schichten wie den Auswahlelementen 302, 314, dem Polarisator 304 und dem MTJ 320 in einem im Allgemeinen vertikalen Stapel.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann eine Anordnung 200 vertikaler MRAM-Zellen 300 eine hohe Flächendichte für die Zellen 300 bereitstellen. Beispielsweise kann die „Grundriss“-Fläche, die von einer vertikalen Zelle 300 einschließlich der Auswahlelemente 302, 314 und des Polarisators 304 eingenommen wird, gleich oder ungefähr gleich zur Grundrissfläche eines MTJ 320 ohne weitere Komponenten sein. Im Gegensatz dazu können bestimmte Arten von MRAM-Anordnungen 200 größere Grundrissflächen pro Zelle 300 und niedrigere Dichten aufweisen, und zwar aufgrund des horizontalen Aufweisens von Lese- und Schreibauswahlelementen (oder Transistoren) in einer CMOS-Schicht unter den Zellen 300, aufgrund des Anordnens von Polarisatoren 304 in einer horizontalen Entfernung von den MTJs 320 (statt in vertikaler Ausrichtung) oder dergleichen.
  • 4 stellt eine Ausführungsform einer MRAM-Anordnung 400 dar. In bestimmten Ausführungsformen kann die MRAM-Anordnung 400 im Wesentlichen Ähnlichkeiten zur oben hinsichtlich 2 beschriebenen MRAM-Anordnung 200 aufweisen und kann eine Vielzahl von MRAM-Zellen 300 aufweisen, die im Wesentlichen wie oben hinsichtlich 3 beschrieben sein können, einschließlich MTJs 320, Polarisatoren 304, Leseauswahlelementen 314 und Schreibauswahlelementen 302. Zusätzlich dazu weist die MRAM-Anordnung 400 in der dargestellten Ausführungsform Schreibleitungen 402, Spin-Akkumulationsleitungen 404 und Leseleitungen 406 auf.
  • Im Allgemeinen kann sich in verschiedenen Ausführungsformen eine „Leitung“ auf einen Leiter wie z.B. einen Metall- oder Polysilicium-Leiter beziehen, der elektrischen Strom zu einer oder von einer MRAM-Zelle 300 leitet. Zusätzlich dazu kann eine Leseleitungsschicht, eine Schreibleitungsschicht oder eine Spin-Akkumulationsleitungsschicht jeweils eine beliebige Schicht von Leseleitungen 406, Schreibleitungen 402 oder Spin-Akkumulationsleitungen 404 aufweisen. Innerhalb einer Schicht können einzelne Leseleitungen 406, Schreibleitungen 402 oder Spin-Akkumulationsleitungen 404 mit dielektrischem Material abwechselnd vorhanden sein, um Kurzschlüsse zwischen den Leitungen zu vermeiden. In den 4 bis 10 werden MRAM-Anordnungen wie z.B. die MRAM-Anordnung 400 zum Zwecke der Anschaulichkeit mit einer kleinen Anzahl an MRAM-Zellen 300 abgebildet, mit einer entsprechend kleinen Anzahl an Schreibleitungen 402, Spin-Akkumulationsleitungen 404 und Leseleitungen 406. Allerdings kann eine eigentliche Anordnung in verschiedenen Ausführungsformen viel mehr Zellen 300, Schreibleitungen 402, Spin-Akkumulationsleitungen 404 und Leseleitungen 406 aufweisen als in den Figuren dargestellt. Beispielsweise kann ein Gigabyte eines MRAM-Speichers Milliarden an MRAM-Zellen 300 aufweisen. Ähnlich dazu können, obwohl 4 eine einzelne Leseleitungsschicht, Schreibleitungsschicht und Spin-Akkumulationsleitungsschicht darstellt, MRAM-Anordnungen 400 in weiteren Ausführungsformen zusätzliche Schichten an Schreibleitungen 402, Spin-Akkumulationsleitungen 404 und Leseleitungen 406 (z.B. in einer dreidimensionalen Anordnung) aufweisen.
  • In der dargestellten Ausführungsform weist die MRAM-Anordnung 400 eine Vielzahl von Leseleitungen 406, die in einer Leseleitungsschicht angeordnet sind, und eine Vielzahl von Schreibleitungen 402, die in einer Schreibleitungsschicht angeordnet sind, auf. In einer weiteren Ausführungsform weist die MRAM-Anordnung 400 eine Vielzahl von Spin-Akkumulationsleitungen 404 in einer Spin-Akkumulationsleitungsschicht auf, die zwischen der Leseleitungsschicht und der Schreibleitungsschicht angeordnet sind. In verschiedenen Ausführungsformen können die Spin-Akkumulationsleitungen 404 als Spin-Akkumulationsschichten 306 für Zellen 300 agieren, sodass die Spin-Akkumulationsschicht 306 für jede Zelle 300 ein Teil einer Spin-Akkumulationsleitung 404 ist. Demgemäß können Spin-Akkumulationsleitungen 404 in bestimmten Ausführungsformen hochleitfähige Materialien wie z.B. Silber, Kupfer, Aluminium und/oder Graphen aufweisen. In einer anderen Ausführungsform können die Spin-Akkumulationsleitungen 404 separate oder einzelne Spin-Akkumulationsleitungen 306 für individuelle Zellen 300 koppeln.
  • In bestimmten Ausführungsformen weist die MRAM-Anordnung 400 eine Vielzahl von vertikalen MRAM-Zellen 300 auf. Ein Polarisator 304 einer MRAM-Zelle 300 kann elektrisch zwischen einer Spin-Akkumulationsleitung 404 und einer Schreibleitung 402 gekoppelt sein. Beispielsweise kann die Schreibleitung 402 mit dem Schreib-Auswahlelement 302 am Schreib-Anschluss T2 324 gekoppelt sein. Ein magnetischer Tunnelübergang 320 einer MRAM-Zelle 300 kann elektrisch zwischen einer Spin-Akkumulationsleitung 404 und einer Leseleitung 406 gekoppelt sein. Beispielsweise kann die Leseleitung 406 am Lese-Anschluss T1 322 mit dem Lese-Auswahlelement 314 gekoppelt sein. Der magnetische Tunnelübergang 320 einer Zelle 300 kann vertikal über die Spin-Akkumulationsleitung 404 hinweg dem Polarisator 304 gegenüberliegend sein, sodass der Teil der Spin-Akkumulationsleitung 404 zwischen der MTJ 320 und dem Polarisator 304 als Spin-Akkumulationsschicht 306 für die Zelle 300 fungiert. Die freie Schicht 308 des MTJ 320 kann in Kontakt mit der Spin-Akkumulationsleitung 404 angeordnet sein, um die Spin-Diffusion in die freie Schicht 308 zu erleichtern.
  • In einer Ausführungsform können feste Schichten 312 für eine Vielzahl von vertikalen MRAM-Zellen 300 in einer MRAM-Anordnung 400 in dieselbe Richtung magnetisiert sein. In einer weiteren Ausführungsform können Polarisatoren 304 für eine Vielzahl von vertikalen MRAM-Zellen 300 in einer MRAM-Anordnung 400 in dieselbe Richtung magnetisiert sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Magnetisierung der Polarisatoren 304 parallel oder nicht parallel zur Magnetisierung der festen Schichten 314 sein. In einer bestimmten Ausführungsform können parallele Magnetisierungen der Polarisatoren 304 und der festen Schichten 314 durch eine einmalige Anwendung eines großen Normal-Felds aufgebracht werden.
  • Im Allgemeinen kann ein Schreibvorgang in verschiedenen Ausführungsformen das Leiten eines elektrischen Stroms durch einen Polarisator 304 aufweisen, und zwar am Schnittpunkt einer Spin-Akkumulationsleitung 404 und einer Schreibleitung 402. Ähnlich dazu kann ein Lesevorgang das Leiten eines elektrischen Stroms durch einen MTJ 320 aufweisen, und zwar am Schnittpunkt einer Spin-Akkumulationsleitung 404 und einer Leseleitung 406. Demgemäß sind in der dargestellten Ausführungsform die MRAM-Zellen 300 vertikale Zellen 300 (z.B. mit vertikal ausgerichteten Schreibauswahlelementen 302, Polarisatoren 304, magnetischen Tunnelübergängen 320 und Leseauswahlelementen 314) und die Spin-Akkumulationsleitungen 404 erstrecken sich in einer horizontalen Richtung, um die Leseleitungen 406 und die Schreibleitungen 402 horizontal zu kreuzen. Leitungen können als horizontal kreuzend bezeichnet werden auf Basis der Leitungen, die sich durch denselben vertikalen Raum kreuzen, selbst wenn sich die Leitungen tatsächlich nicht kreuzen, da sie sich in unterschiedlichen Schichten befinden. In einer bestimmten Ausführungsform können die Leseleitungen 406 parallel zu den Schreibleitungen 402 (z.B. um eine Zeile an Zellen 300 zu adressieren) sein und die Spin-Akkumulationsleitungen 404 können normal auf die Leseleitungen 406 und die Schreibleitungen 402 sein (z.B. um eine Spalte an Zellen 300 zu adressieren). In einer anderen Ausführungsform können die Spin-Akkumulationsleitungen 404 die Leseleitungen 406 und die Schreibleitungen 402 in einem nicht-normalen Winkel horizontal kreuzen. Beispielsweise können Zeilen und Spalten geneigt statt normal sein.
  • In der dargestellten Ausführungsform werden die Schreibleitungen 402, Schreibauswahlelemente 302 und Polarisatoren 304 als unterhalb der Spin-Akkumulationsleitungen 404 dargestellt und die MTJs 320, Leseauswahlelemente 314 und Leseleitungen 406 werden als oberhalb der Spin-Akkumulationsleitungen 404 dargestellt. Beispielsweise können die Schreibleitungen 402 auf einem Substrat für die Anordnung 400 aufgebracht sein. Allerdings können in einer bestimmten Ausführungsform die Zellen 300 und die Anordnung 400 (im Vergleich zu ihrer dargestellten Orientierung) umgekehrt sein, sodass Leseleitungen 406 auf dem Substrat aufgebracht sind.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann eine Steuereinheit wie z.B. die Nacktchip-Steuereinheit 206 aus 2 Lesevorgänge und Schreibvorgänge für die Anordnung 400 ausführen, indem sie Spannungen für die Leseleitungen 406, die Schreibleitungen 402 und die Spin-Akkumulationsleitungen 404 steuert. Eine Steuereinheit kann Spannungserzeugungskomponenten, wie z.B. Spannungstreiber, Pegelschieber oder dergleichen, Spannungsschaltkomponenten wie z.B. Transistoren zur Kopplung von Spannungen an Leitungen, Abfühlkomponenten wie z.B. Leseverstärker, Latch-Zwischenspeicher zum Speichern von Leseverstärkerausgaben und dergleichen aufweisen oder mit diesen kommunizieren. Spannungen für Lese- und Schreibvorgänge sind unten hinsichtlich 7 bis 10 detaillierter beschrieben.
  • 5 stellt eine weitere Ausführungsform einer MRAM-Anordnung 500 dar. In bestimmten Ausführungsformen kann die MRAM-Anordnung 500 im Wesentlichen Ähnlichkeiten mit der MRAM-Anordnung 400, die oben hinsichtlich 4 beschrieben wurde, aufweisen, einschließlich Schreibleitungen 402, Spin-Akkumulationsleitungen 404, Leseleitungen 406 und vertikaler MRAM-Zellen 300. In der dargestellten Ausführungsform ist allerdings die Anordnung 500 eine dreidimensionale Anordnung, die eine Vielzahl von MRAM-Zellen 300 in einer unteren Schicht (wie z.B. in 4) und eine zweite Vielzahl von MRAM-Zellen 300 in einer oberen Schicht aufweist. Obwohl zwei Schichten von MRAM-Zellen 300 dargestellt sind, kann eine dreidimensionale MRAM-Anordnung 500 eine größere Anzahl an Schichten aufweisen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können MRAM-Zellen 300 in unterschiedlichen Schichten Leseleitungen 406 und/oder Schreibleitungen 402 gemeinsam benutzen. Eine Leitung kann als zwischen Schichten gemeinsam benutzt bezeichnet werden, wenn sie mit MRAM-Zellen 300 in beiden Schichten gekoppelt ist. Beispielsweise ist, wie in 5 dargestellt ist, die Leitung 502 eine gemeinsam benutzte Leitung, die mit MRAM-Zellen 300 unterhalb und oberhalb der gemeinsam genutzten Leitung 502 gekoppelt ist. In der dargestellten Ausführungsform fungiert die gemeinsam genutzte Leitung 502 als Leseleitung 406 für die untere Schicht an MRAM-Zellen 300, da die MRJs 320 zwischen der gemeinsam genutzten Leitung 502 und den Spin-Akkumulationsleitungen 404 der unteren Schicht gekoppelt sind. Weiters fungiert in der dargestellten Ausführungsform die gemeinsam genutzte Leitung 502 als Schreibleitung 402 für die obere Schicht an MRAM-Zellen 300, da Polarisatoren 304 zwischen der geteilten Leitung 502 und Spin-Akkumulationsleitungen der oberen Schicht 404 gekoppelt sind. In einer anderen Ausführungsform kann eine geteilte Leitung 502 als Leseleitung 406 für obere und untere Schichten, als Schreibleitung 402 für obere und untere Schichten oder dergleichen fungieren. Beispielsweise können sich abwechselnde Schichten von MRAM-Zellen 300 in jeder Schicht hinsichtlich der vorherigen Schicht vertikal umgekehrt sein, sodass eine geteilte Leitung 502 nur mit Leseauswahlelementen 314 oder nur mit Schreibauswahlelementen 302 der Zellen 300 elektrisch verbunden ist.
  • 6 stellt eine Draufsicht auf eine MRAM-Anordnung 600 dar, die im Wesentlichen Ähnlichkeiten mit den MRAM-Anordnungen 200, 400, 500, die oben beschrieben wurden, aufweisen, einschließlich vertikaler MRAM-Zellen 300, Leseleitungen 406, Spin-Akkumulationsleitungen 404 und Schreibleitungen 402. In bestimmten Ausführungsformen können Schreibleitungen 402 direkt unterhalb der Leseleitungen 406 sein. Demgemäß sind Schreibleitungen 402 in der Anordnung 600 vorhanden, aber sind nicht in der Draufsicht aus 6 sichtbar.
  • In verschiedenen Ausführungsform bezieht sich eine Prozesselementgröße 602 (die als „F“ abgekürzt werden kann) auf eine charakteristische Größe, die durch einen photolithographischen Vorgang hergestellt wird, die die Minimalgröße für ein Element, das durch den photolithographischen Vorgang hergestellt wurde, sein kann. Beispielsweise kann ein Prozess mit einer 10 nm-Elementegröße 602 ein Element wie z.B. eine Leitung, ein Transistorgate, einen MTJ 320 oder dergleichen mit einer Breite von 10 nm herstellen. Demgemäß kann eine Minimalfläche für ein Element, das durch den photolithographischen Prozess hergestellt wird, die Quadratzahl einer Prozesselementgröße 602 oder F^2 sein.
  • In der dargestellten Ausführungsform stellt die Anordnung 600 eine 4*F^2-Dichte der Zellen 300 bereit. Das bedeutet, die Flächendichte der Zellen 300 ist viermal größer als die Quadratzahl der Prozesselementgröße F 602. In einer Ausführungsform haben die Leseleitungen 406, Spin-Akkumulationsleitung 404 und Schreibleitungen 402 in ihren jeweiligen Schichten eine Breite F und sind durch die Entfernung F getrennt, sodass die lineare Dichte der Leitungen 2F oder zweimal die Elementgröße 602 pro Leitung beträgt. Demgemäß stellt das Anordnen von vertikalen MRAM-Zellen 300 dort, wo die normalen Leitungen kreuzen, eine Flächendichte der Zellen 300 bereit, die viermal größer als die Quadratzahl für die Elementgröße 602 ist. Wie oben beschrieben kann eine vertikale Zelle 300 vertikal ausgerichtete Schreibauswahlelemente 302, Polarisatoren 304, magnetische Tunnelübergänge 320 und Leseauswahlelemente 314 aufweisen. Im Gegensatz dazu können, wenn Komponenten wie z.B. Auswahlelemente 302, 314 oder Schalttransistoren (statt Auswahlelementen 302, 314) eine größere Fläche als F^2 einnehmen oder nicht vertikal ausgerichtet sind, die Zellen 300 weiter auseinander gedrückt werden, um die größeren oder nicht ausgerichteten Komponenten aufzunehmen, und die Fläche, die von jeder Zelle 300 verwendet wird, kann größer als 4*F^2 sein.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann die mittlere Dichte von Zellen 300 für einen MRAM-Nacktchip 150 durch periphere Komponenten beeinflusst sein, wie z.B. Reihenschaltungen 202, Spaltenschaltungen 204 und die Nacktchip-Steuereinheit 206. Allerdings kann sich die Flächendichten der Zellen 300 auf die Dichte an Zellen 300 innerhalb der Anordnung 600 beziehen, mit Ausnahme von Komponenten, die zur Anordnung 600 extern oder peripher sind.
  • Die 7 bis 10 stellen Lese- und Schreibspannungen für eine MRAM-Anordnung 700 dar, die im Wesentlichen Ähnlichkeiten mit den MRAM-Anordnungen 200, 400, 500, 600, die oben beschrieben wurden, aufweisen kann, einschließlich MRAM-Zellen 300, Leseleitungen 406, Spin-Akkumulationsleitungen 404 und Schreibleitungen 402. In der dargestellten Ausführungsform sind Leseauswahlelemente 314 einpolige Auswahlelemente, die als Dioden dargestellt sind, die Strom in einer Richtung als Reaktion auf eine Spannung, die einen Schwellenwert (z.B. zumindest die EIN-Spannung für die Diode) erreicht, erlauben, aber den Strom begrenzen, wenn die Spannung unter dem Schwellenwert oder in einer in Sperrrichtung vorgespannten Richtung ist. Wie oben beschrieben sind die Schreibauswahlelemente 302 zweipolige Auswahlelemente, die als Diodenpaare dargestellt sind. Die Polarisatoren 304 sind als Blöcke dargestellt und die MTJs 320 sind als variable Widerstände dargestellt, aufgrund der unterschiedlichen Widerstände für den MTJ 320 im parallelen und nicht parallelen Zustand.
  • Eine Steuereinheit, wie z.B. die Nacktchip-Steuereinheit 206, führt Lesevorgänge und Schreibvorgänge für die Anordnung 700 durch, indem Spannungen für die Leseleitungen 406, die Schreibleitungen 402 und die Spin-Akkumulationsleitungen 404 gesteuert werden. Die 7 bis 10 stellen Lese- und Schreibspannungen zum Lesen aus oder Schreiben auf eine ausgewählte Zelle 300 dar, dargestellt durch eine gestrichelte Linie. Zellen 300, die andere als die ausgewählte Zelle 300 sind, können als halbausgewählt bezeichnet werden, wenn sie sich in derselben Zeile oder derselben Spalte wie die ausgewählte Zelle 300 befinden (z.B. mit denselben Leseleitungen 406 und Schreibleitungen 402 oder derselben Spin-Akkumulationsleitung 404 gekoppelt), und können andernfalls als nicht ausgewählt bezeichnet werden (z.B. eine nicht ausgewählte Zelle 300 ist mit anderen Leseleitungen 406, Schreibleitungen 402 und Spin-Akkumulationsleitungen 404 gekoppelt als eine ausgewählte Zelle 300). Polarisatoren 304 und MTJs 320 können, ähnlich dazu, als ausgewählt, halbausgewählt oder nicht ausgewählt bezeichnet werden, auf Basis dessen, ob sie sich in ausgewählten, halbausgewählten oder nicht ausgewählten Zellen 300 befinden.
  • 7 stellt Schreibspannungen dar, die von einer Steuereinheit für einen Schreibvorgang angelegt werden, um einen ersten Bitwert in die ausgewählte Zelle 300 zu schreiben. Der erste Bitwert kann eine Binärzahl Null oder eine Binärzahl Eins sein, abhängig von der Orientierung der magnetischen Momente innerhalb der Zelle 300, eine Konvention dafür, welche Werte von den parallelen oder antiparallelen Zuständen dargestellt werden, oder dergleichen.
  • In der dargestellten Ausführungsform führt die Steuereinheit einen Schreibvorgang zum Schreiben eines ersten Bitwerts in eine ausgewählte Zelle 300 aus, indem eine Schreibspannung VW mit einer Schreibleitung 402 für die ausgewählte Zelle 300 gekoppelt wird, eine Spin-Akkumulationsleitung 404 für die ausgewählte Zelle 300 mit Masse verbunden wird und die Hälfte der Schreibspannung (VW / 2) mit anderen Schreibleitungen 402, anderen Spin-Akkumulationsleitungen 404 und den Leseleitungen 406 gekoppelt wird. Die Erdspannung wird in 7 bis 10 als Null dargestellt. Allerdings kann in verschiedenen Ausführungsformen die Erdspannung eine beliebige andere Referenzspannung sein und andere Spannungen wie z.B. die Schreibspannung können Spannungsunterschiede über oder unter der Referenzspannung sein.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist der Spannungsabfall entlang des Schreibauswahlelements 302 und des Polarisators 304 für die ausgewählte Zelle 300 gleich der Schreibspannung VW. Der Spannungsabfall entlang der halbausgewählten Polarisatoren 304 (und Schreibauswahlelemente 304) ist gleich der Hälfte der Schreibspannung, oder VW / 2. Der Spannungsabfall an nicht ausgewählten Polarisatoren 304 (und Schreibauswahlelementen 304) ist gleich Null. Die Schreibauswahlelemente 302 können so konfiguriert sein, dass die Schreibspannung VW den Spannungsschwellenwert erreicht, was es dem Strom erlaubt, durch den ausgewählten Polarisator 304 zu strömen, um auf den ausgewählten MTJ 320 zu schreiben. Die Schreibauswahlelemente 302 können weiters so konfiguriert sein, dass die Hälfte der Schreibspannung (VW / 2) den Spannungsschwellenwert nicht erreicht, wodurch der Strom durch die halbausgewählten oder nicht ausgewählten Polarisatoren 304 begrenzt wird. Der Spannungsabfall an den MTJs 320 beträgt VW / 2 oder Null und die Leseauswahlelemente 314 sind mit einer höheren Schwellenspannung konfiguriert als VW / 2, sodass die Leseauswahlelemente 314 den Strom durch die MTJs 320 begrenzen.
  • 8 stellt Schreibspannungen dar, die durch eine Steuereinheit für einen Schreibvorgang angelegt werden, um einen zweiten Bitwert auf die ausgewählte Zelle 300 zu schreiben. Der zweite Bitwert ist das Gegenteil des ersten Bitwerts.
  • In der dargestellten Ausführungsform führt die Steuereinheit einen Schreibvorgang aus, um den zweiten Bitwert auf eine ausgewählte Zelle 300 zu schreiben, indem eine Schreibspannung VW mit der Spin-Akkumulationsleitung 404 für die ausgewählte Zelle 300 gekoppelt wird, die Schreibleitung 402 für die ausgewählte Zelle 300 mit Masse verbunden wird und die Hälfte der Schreibspannung (VW / 2) mit anderen Schreibleitungen 402, anderen Spin-Akkumulationsleitungen 404 und den Leseleitungen 406 gekoppelt wird.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist der Spannungsabfall entlang des Schreibauswahlelements 302 und des Polarisators 304 für die ausgewählte Zelle 300 gleich der Schreibspannung, in der entgegengesetzten Richtung als in 7 (-VW). Der Spannungsabfall an halbausgewählten Polarisatoren 304 (und Schreibauswahlelementen 302) ist die Hälfte der Schreibspannung in der entgegengesetzten Richtung als in 7, bzw. -VW / 2. Der Spannungsabfall an nicht ausgewählten Polarisatoren 304 (und Schreibauswahlelementen 302) ist weiterhin gleich Null. Die Schreibauswahlelemente 302 können zweipolige Auswahlelemente sein, die Strom in beide Richtungen erlauben, auf Basis von Schwellenwerten, und können so konfiguriert sein, dass die Spannung -VW einen Spannungsschwellenwert erreicht und Strom erlaubt, durch den ausgewählten Polarisator 304 zu fließen, um auf den ausgewählten MTJ 320 zu schreiben. Die Schreibauswahlelemente 302 können weiters so konfiguriert sein, dass die Spannung -VW / 2 den Schwellenwert nicht erreicht, wodurch der Strom durch die halbausgewählten und nicht ausgewählten Polarisatoren 304 begrenzt wird. Der Spannungsabfall an den MTJs 320 ist -VW / 2 oder Null und die Leseauswahlelemente 314 können einpolige Auswahlelemente sein, die Strom als Reaktion auf einen Sperrvorspannung begrenzen. Alternativ dazu können Leseauswahlelemente 314 zweipolige Auswahlelemente sein, mit einem Schwellenwert für Sperrstromfluss, der nicht durch eine Spannung von -VW / 2 erreicht wird, sodass die Leseauswahlelemente 314 den Strom durch die MTJs 320 begrenzen.
  • 9 stellt Lesespannungen dar, die durch eine Steuereinheit für einen Lesevorgang angelegt werden, um Daten aus der ausgewählten Zelle 300 auszulesen. In der dargestellten Ausführungsform führt die Steuereinheit einen Lesevorgang für eine ausgewählten Zelle 300 aus, indem eine Lesespannung VR mit der Leseleitung 406 für die ausgewählten Zelle 300 gekoppelt wird, die Spin-Akkumulationsleitung 404 für die ausgewählte Zelle 300 mit Masse verbunden wird und die Hälfte der Lesespannung (VR / 2) mit anderen Leseleitungen 406, anderen Spin-Akkumulationsleitungen 404 und den Schreibleitungen 402 gekoppelt werden.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist der Spannungsabfall an dem Leseauswahlelement 314 und dem MTJ 320 für die ausgewählte Zelle 300 gleich der Lesespannung VR. Der Spannungsabfall an halbausgewählten MTJs 320 (und Leseauswahlelementen 314) ist gleich der Hälfte der Lesespannung oder VR / 2. Der Spannungsabfall an nicht ausgewählten MTJs 320 (und Leseauswahlelemente 314) ist gleich Null. Die Leseauswahlelemente 314 können so konfiguriert sein, dass die Lesespannung VR den Spannungsschwellenwert erreicht und Strom erlaubt, durch den ausgewählten MTJ 320 zu fließen, um den spezifischen Widerstand (und damit den gespeicherten Datenwert) des ausgewählten MTJ 320 abzufühlen. Die Leseauswahlelemente 314 können weiters so konfiguriert sein, dass die Hälfte der Lesespannung (VR / 2) den Spannungsschwellenwert nicht erreicht, wodurch Strom durch die halbausgewählten oder nicht ausgewählten MTJs 320 begrenzt wird. Der Spannungsabfall an den Polarisatoren 304 ist VR / 2 oder Null und die Schreibauswahlelemente 302 sind mit einer höheren Schwellenwertspannung konfiguriert als VR / 2, sodass die Schreibauswahlelemente 302 den Strom durch die Polarisatoren 304 begrenzen.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann die Lesespannung VR gleich der Schreibspannung VW sein. Wie oben beschrieben kann die Schwellenspannung für ein Leseauswahlelement 314 von der Lesespannung VR erreicht sein, nicht aber von der Hälfte der Lesespannung VR oder der Hälfte der Schreibspannung VW. Ähnlich dazu kann die Schwellenspannung für ein Schreibauswahlelement 302 von der Schreibspannung VW (in einer beliebigen Richtung) erreicht sein, aber nicht von der Hälfte der Schreibspannung VW (in einer beliebigen Richtung) oder von der Hälfte der Lesespannung VR. Demgemäß können die Lesespannung und die Schreibspannung gleich sein oder sich geringfügig unterscheiden. Beispielsweise kann eine geringfügig niedrigere Lesespannung VR niedrigere Leseströme und verringerten Verschleiß bereitstellen. Alternativ dazu können Leseströme auf andere Art begrenzt sein, wie z.B. durch einen Widerstand, der in das Leseauswahlelement 314 eingebaut (oder mit diesem in einer Reihe) ist.
  • 10 stellt Schreibspannungen dar, die ähnlich zu 7 sind, um einen ersten Bitwert auf eine ausgewählte Zelle 300 zu schreiben. In der dargestellten Ausführungsform nutzt die Steuereinheit spannungsgesteuerte magnetische Anisotropie, um Schreibströme zu verringern.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann sich eine magnetische Anisotropie einer Zelle 300 auf einen Unterschied zwischen „leichten“ und „harten“ Achsen zur Magnetisierung der freien Schicht 308 beziehen. Beispielsweise kann in bestimmten Ausführungsformen eine Zelle 300 mit einer normalen Magnetisierung für die feste Schicht 312 eine „leichte“ Achse in normaler Richtung für die freie Schicht 308 aufweisen, sodass die normale Magnetisierung für die freie Schicht 308 energetisch günstig ist. Eine Messung der magnetischen Anisotropie kann die Größe eines Feldes sein, das entlang der „harten“ Achse (z.B. in einer In-Ebene-Richtung) aufgebracht wird und ausreicht, um die Magnetisierung der „leichten“ Achse zunichte zu machen. Andere oder weitere Messungen der magnetischen Anisotropie können, ähnlich dazu, der Schwierigkeit des Auslesens oder Schreibens auf die Zelle 300 entsprechen. Daher kann eine Zelle 300 mit einer hohen magnetischen Anisotropie stabile Datenspeicherung bereitstellen, aber hohe Schreibströme verwenden, um die Magnetisierung der freien Schicht 308 zu verändern. Im Gegensatz dazu kann eine Zelle 300 mit einer niedrigeren magnetischen Anisotropie niedrigere Schreibströme verwenden, aber mit einem Verlust eines Teils der Stabilität.
  • In manchen Ausführungsformen kann allerdings eine Spannung, die entlang eines MTJ 320 angelegt wird, die magnetische Anisotropie der freien Schicht 308 temporär verändern. In einer Ausführungsform kann die magnetische Anisotropie der freien Schicht 308 durch eine in einer Richtung aufgebrachte Spannung gesenkt werden und durch eine in einer anderen Richtung aufgebrachte Spannung erhöht werden. In weiteren Ausführungsform umfasst das Verwenden von spannungsgesteuerter magnetischer Anisotropie (VCMA) das Anlegen einer Spannung entlang eines MTJ 320 während dem Schreiben, um die magnetische Anisotropie der freien Schicht 308 temporär zu verringern, was niedrigere Schreibströme ermöglicht. Die Verwendung von VCMA kann es einer Zelle 300 ermöglichen, mit hoher Anisotropie für die Stabilität und mit niedrigen Schreibströmen konfiguriert zu werden.
  • In der dargestellten Ausführungsform legt die Steuereinheit im Wesentlichen wie oben hinsichtlich 7 beschrieben Spannungen an. Allerdings legt die Steuereinheit während dem Schreibvorgang auch eine Spannung, die größer als die Hälfte der Schreibspannung VW ist, auf eine Leseleitung 406 für die ausgewählte Zelle 300 an. Beispielsweise beträgt in den dargestellten Ausführungsformen die Spannung auf der Leseleitung 406 für die ausgewählte Zelle 300 VW / 2 + VA: die Hälfte der Schreibspannung VW plus eine zusätzliche Vorspannung VA. Die zusätzliche Vorspannung wird so ausgewählt, dass VW / 2 + VA den Spannungsschwellenwert für das Leseauswahlelement 314 erfüllt, was es dem Strom ermöglicht, zu fließen. Zusätzlich kann der Widerstand des Leseauswahlelements 314 niedriger sein als der Widerstand des ausgewählten MTJ 320, sodass das meiste des Spannungsabfalls VW / 2 + VA zwischen der Leseleitung 406 für die ausgewählte Zelle 300 und der Spin-Akkumulationsleitung 404 für die ausgewählte Zelle 300 an den ausgewählten MTJ 320 ist (statt entlang des Leseauswahlelements 314 selbst). Der MTJ 320 kann so konfiguriert sein, dass eine Spannung für die abgebildete Polarität die magnetische Anisotropie der freien Schicht 308 verringert, was schnelleres Schreiben und/oder Schreiben mit niedrigerem Strom ermöglicht. Allerdings würde eine Spannung der entgegengesetzten Polarität die magnetische Anisotropie der freien Schicht 308 erhöhen. Demgemäß kann VCMA eine Schreibstromverringerung zum Schreiben des ersten Bitwerts oder zum Schreiben des zweiten Bitwerts, aber nicht für beide, ermöglichen.
  • 11 ist ein schematisches Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens 1100 zur Herstellung einer MRAM-Anordnung darstellt. Das Verfahren 1100 beginnt und ein Hersteller bringt Schreibleitungen 402 auf einem Substrat auf 1102. Der Hersteller bringt Schreibauswahlelemente 302 auf den Schreibleitungen 402 auf 1104. Der Hersteller bringt Polarisatoren 304 auf den Schreibauswahlelementen 302 auf 1106. Der Hersteller bringt Spin-Akkumulationsleitungen 404 auf 1108. Der Hersteller bringt MTJs 320 auf den Spin-Akkumulationsleitungen 404 auf 1110. Der Hersteller bringt Leseauswahlelemente 314 auf den MTJs 320 auf 1112. Der Hersteller bringt Leseleitungen 406 auf 1114, und das Verfahren 1100 endet.
  • 12 ist ein schematisches Flussdiagramm, das eine andere Ausführungsform eines Verfahrens 1200 zur Herstellung einer MRAM-Anordnung darstellt. Das Verfahren 1200 beginnt und ein Hersteller bringt Leseleitungen 406 auf einem Substrat auf 1202. Der Hersteller bringt Leseauswahlelemente 314 auf den Leseleitungen 406 auf 1204. Der Hersteller bringt MTJs 320 auf den Leseauswahlelementen 314 auf 1206. Der Hersteller bringt Spin-Akkumulationsleitungen 404 auf 1208. Der Hersteller bringt Polarisatoren 304 auf den Spin-Akkumulationsleitungen 404 auf 1210. Der Hersteller bringt Schreibauswahlelemente 302 auf den Polarisatoren 304 auf 1212. Der Hersteller bringt Schreibleitungen 402 auf 1214 und das Verfahren 1200 endet.
  • Ein Mittel zum magnetoresistiven Speichern eines Datenwerts kann in verschiedenen Ausführungsformen einen magnetischen Tunnelübergang 320, eine feste Schicht 312, eine Barriereschicht 310, eine freie Schicht 308, ein ferromagnetisches Material, eine ferromagnetische Legierung, eine CoFeB-Legierung oder dergleichen aufweisen. Andere Ausführungsformen können ähnliche oder gleiche Mittel zum magnetoresistiven Speichern eines Datenwerts aufweisen.
  • Ein Mittel zum Akkumulieren von Magnetspins, die zu einem Mittel zum magnetoresistiven Speichern eines Datenwerts benachbart sind, um den gespeicherten Datenwert zu ändern, kann in verschiedenen Ausführungsformen eine Spin-Akkumulationsschicht 306, eine Spin-Akkumulationsleitung 404, ein leitfähiges Material, Kupfer, Silber, eine Kupfer/Silberlegierung, Aluminium, Graphen oder dergleichen aufweisen. Andere Ausführungsformen können ähnliche oder gleiche Mittel zum Akkumulieren von Magnetspins aufweisen.
  • Ein Mittel zum Spinpolarisieren eines elektrischen Schreibstroms, um akkumulierte Magnetspins zu erzeugen, kann in verschiedenen Ausführungsformen einen Polarisator 304, ein spinpolarisiertes ferromagnetisches Material, eine Cobalt/Eisenlegierung, eine Cobalt/Manganlegierung oder dergleichen aufweisen. Andere Ausführungsformen können ähnliche oder gleiche Mittel zum Spinpolarisieren eines elektrischen Schreibstroms aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen können Mittel zum magnetoresistiven Speichern eines Datenwerts, Mittel zum Akkumulieren von Magnetspins und Mittel zum Spinpolarisieren vertikal in einer magnetoresistiven Crosspoint-Speicheranordnung ausgerichtet sein.
  • Ein Mittel zum Blockieren eines Schreibstroms, das darauf basiert, dass eine erste Spannung einen Schwellenwert nicht erreicht, kann in verschiedenen Ausführungsformen ein Schreibauswahlelement 302, ein p-n-Übergang, ein mehrschichtiges p-n-p-Ovonic-Schwellenwertschaltmaterial, ein zweipoliges Auswahlelement, ein Metall-Isolator-Metall-Auswahlelement, ein gemischtes Ionen/Elektronenleitverbundstoff-Auswahlelement, ein Metallisolator-Übergangsauswahlelement oder dergleichen aufweisen. Andere Ausführungsform können ähnliche oder gleiche Mittel zum Blockieren eines Schreibstroms aufweisen.
  • Ein Mittel zum Blockieren eines Lesestroms, das darauf basiert, dass eine zweite Spannung einen Schwellenwert nicht erreicht, kann in verschiedenen Ausführungsformen ein Leseauswahlelement 314, eine p-n-Verbindung, ein mehrschichtiges p-n-p-Ovonic-Schwellenwertschaltmaterial, ein zweipoliges Auswahlelement, ein einpoliges Auswahlelement, ein Metall-Isolator-Metall-Auswahlelement, ein gemischtes Ionen/Elektronenleitverbundstoff-Auswahlelement, ein Metallisolator-Übergangsauswahlelement oder dergleichen aufweisen. Andere Ausführungsform können ähnliche oder gleiche Mittel zum Blockieren eines Lesestroms aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen können Mittel zum Blockieren des Lesestroms physikalisch von einem Mittel zum Blockieren des Schreibstroms getrennt sein (z.B. auf nicht benachbarten Teilen einer MRAM-Zelle 300 angeordnet sein).
  • Die vorliegende Offenbarung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt sein, ohne vom Sinn oder wesentlichen Eigenschaften der Offenbarung abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sollen in jeglicher Hinsicht nur als illustrativ und nicht als begrenzend betrachtet werden. Der Schutzumfang der Offenbarung wird daher durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorangegangene Beschreibung definiert. Alle Veränderungen, die in der Bedeutung und dem Äquivalenzbereich der Ansprüche liegen, sind als in deren Schutzumfang liegend zu betrachten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 15440129 [0048]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Goran Mihajlovic et al., beschrieben, die hier durch Verweis aufgenommen ist [0048]

Claims (20)

  1. Vorrichtung, die Folgendes aufweist: eine Vielzahl von Leseleitungen in einer Leseleitungsschicht; eine Vielzahl von Schreibleitungen in einer Schreibleitungsschicht; eine Vielzahl von Spin-Akkumulationsleitungen in einer Spin-Akkumulationsleitungsschicht, die zwischen der Leseleitungsschicht und der Schreibleitungsschicht angeordnet ist, wobei die Spin-Akkumulationsleitungen die Leseleitungen und die Schreibleitungen horizontal kreuzen; und eine Vielzahl von vertikalen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher-(MRAM)-Zellen, wobei eine vertikale MRAM-Zelle Folgendes aufweist: einen Polarisator, der zwischen eine Spin-Akkumulationsleitung und eine Schreibleitung gekoppelt ist; und einen magnetischen Tunnelübergang, der zwischen die Spin-Akkumulationsleitung und eine Leseleitung gekoppelt ist, so dass der magnetische Tunnelübergang und der Polarisator vertikal ausgerichtet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Flächendichte der vertikalen MRAM-Zellen viermal größer ist als die Quadratzahl einer Prozesselementgröße pro Zelle.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die vertikale MRAM-Zelle ferner ein Leseauswahlelement, das zwischen dem magnetischen Tunnelübergang und der Leseleitung angeordnet ist, und ein Schreibauswahlelement aufweist, das zwischen dem Polarisator und der Schreibleitung angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Leseauswahlelement und das Schreibauswahlelement vertikal mit dem Polarisator und dem magnetischen Tunnelübergang ausgerichtet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Leseauswahlelement ein einpoliges Auswahlelement aufweist und das Schreibauswahlelement ein zweipoliges Auswahlelement aufweist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leseleitungen parallel zu den Schreibleitungen verlaufen, und die Spin-Akkumulationsleitungen normal zu den Leseleitungen und den Schreibleitungen verlaufen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der magnetische Tunnelübergang eine feste Schicht, eine Barriereschicht und eine freie Schicht aufweist, wobei die Barriereschicht zwischen der festen Schicht und der freien Schicht angeordnet ist, und die freie Schicht mit der Spin-Akkumulationsleitung in Kontakt steht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei ein magnetisches Moment der festen Schicht, ein magnetisches Moment der freien Schicht und ein magnetisches Moment des Polarisators normal zu der Barriereschicht sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spin-Akkumulationsleitung eines oder mehrere aus Silber, Kupfer, Aluminium und Graphen aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Polarisator ein spinpolarisiertes ferromagnetisches Material aufweist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine zweite Vielzahl von vertikalen MRAM-Zellen aufweist, wobei die Vielzahl von vertikalen MRAM-Zellen und die zweite Vielzahl von vertikalen MRAM-Zellen eine dreidimensionale Anordnung bilden, wobei die zweite Vielzahl von vertikalen MRAM-Zellen eine oder mehrere der Leseleitungen und der Schreibleitungen gemeinsam mit der Vielzahl von vertikalen MRAM-Zellen nutzt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Steuereinheit aufweist, die Lesevorgänge und Schreibvorgänge durch das Steuern von Spannungen für die Leseleitungen, die Schreibleitungen und die Spin-Akkumulationsleitungen auf den vertikalen MRAM-Zellen durchführt.
  13. System, das Folgendes aufweist: eine magnetoresistive Direktzugriffsspeicher-(MRAM)-Anordnung, die Folgendes aufweist: eine Vielzahl von Leseleitungen; eine Vielzahl von Schreibleitungen; eine Vielzahl von Spin-Akkumulationsleitungen in einer Spin-Akkumulationsleitungsschicht, die zwischen den Leseleitungen und den Schreibleitungen angeordnet ist, wobei die Spin-Akkumulationsleitungen normal zu den Leseleitungen und den Schreibleitungen verlaufen; und eine Vielzahl von MRAM-Zellen, wobei die MRAM-Zellen Schreibauswahlelemente, Polarisatoren, magnetische Tunnelübergänge und Leseauswahlelemente aufweisen, wobei die Schreibauswahlelemente und die Polarisatoren zwischen den Spin-Akkumulationsleitungen und den Schreibleitungen elektrisch in Reihe geschaltet sind, und die Leseauswahlelemente und die magnetischen Tunnelübergänge zwischen den Spin-Akkumulationsleitungen und den Leseleitungen elektrisch in Reihe geschaltet sind; und eine Steuereinheit, die Lesevorgänge und Schreibvorgänge durch das Steuern von Spannungen für die Leseleitungen, die Schreibleitungen und die Spin-Akkumulationsleitungen für die Anordnung durchführt.
  14. System nach Anspruch 13, wobei die Steuereinheit einen Lesevorgang für eine ausgewählte MRAM-Zelle durch Koppeln einer Lesespannung mit einer Leseleitung für die ausgewählte Zelle, Verbinden mit Masse einer Spin-Akkumulationsleitung für die ausgewählte Zelle und Koppeln der Hälfte der Lesespannung mit anderen Leseleitungen, anderen Spin-Akkumulationsleitungen und den Schreibleitungen durchführt.
  15. System nach Anspruch 13, wobei die Steuereinheit einen Schreibvorgang zum Schreiben eines ersten Bitwerts auf eine ausgewählte Zelle durch Koppeln einer Schreibspannung mit einer Schreibleitung für die ausgewählte Zelle, Verbinden mit Masse einer Spin-Akkumulationsleitung für die ausgewählte Zelle und Koppeln der Hälfte der Schreibspannung mit anderen Schreibleitungen, anderen Spin-Akkumulationsleitungen und den Leseleitungen durchführt.
  16. System nach Anspruch 15, wobei die Steuereinheit während des Schreibvorgangs eine Leseleitung für die ausgewählte Zelle mit einer Spannung beaufschlagt, die größer ist als die Hälfte der Schreibspannung.
  17. System nach Anspruch 15, wobei die Steuereinheit einen Schreibvorgang zum Schreiben eines zweiten Bitwerts auf die ausgewählte Zelle durch Koppeln der Schreibspannung mit der Spin-Akkumulationsleitung für die ausgewählte Zelle, Verbinden mit Masse der Schreibleitung für die ausgewählte Zelle und Koppeln der Hälfte der Schreibspannung mit anderen Schreibleitungen, anderen Spin-Akkumulationsleitungen und den Leseleitungen durchführt, wobei sich der zweite Bitwert von dem ersten Bitwert unterscheidet.
  18. Vorrichtung, die Folgendes aufweist: Mittel zum magnetoresistiven Speichern eines Datenwerts; Mittel zum Akkumulieren von Magnetspins benachbart zu den Mitteln zum magnetoresistiven Speichern eines Datenwerts, um den gespeicherten Datenwert zu ändern; und Mittel zum Spinpolarisieren eines elektrischen Schreibstroms, um die akkumulierten Magnetspins zu erzeugen, wobei die Mittel zum magnetoresistiven Speichern eines Datenwerts, die Mittel zum Akkumulieren von Magnetspins und die Mittel zum Spinpolarisieren vertikal in einer magnetoresistiven Crosspoint-Speicheranordnung ausgerichtet sind.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, die ferner ein Mittel zum Blockieren des Schreibstroms aufweist, das darauf basiert, dass eine erste Spannung einen ersten Schwellenwert nicht erreicht.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, die ferner ein Mittel zum Blockieren eines Lesestroms aufweist, das darauf basiert, dass eine zweite Spannung einen Schwellenwert nicht erreicht, wobei das Mittel zum Blockieren des Lesestroms physikalisch von dem Mittel zum Blockieren des Schreibstroms getrennt ist.
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