DE112011101184T5

DE112011101184T5 - Magnetische Direktzugriffsspeichereinheit und Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Direktzugriffsspeichereinheit

Info

Publication number: DE112011101184T5
Application number: DE112011101184T
Authority: DE
Inventors: Rolf Allenspach; Carl Zinoni
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: JP5759541B2; CA2785625A1; BR112013001584A2; US8817531B2; WO2012001555A1; GB2494361A; GB201300264D0; CN102918649A; GB2494361B; CA2785625C; DE112011101184B4; US20130208536A1; CN102918649B; JP2013537704A; BR112013001584B1

Abstract

Die magnetische Direktzugriffsspeicher-(MRAM-)Einheit weist Lesewortleitungen, Schreibwortleitungen und Bitleitungen sowie eine Vielzahl von Bitspeicherzellen auf, die durch die Lesewortleitungen, die Schreibwortleitungen und die Bitleitungen untereinander verbunden sind, wobei jede der Bitspeicherzellen ein Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht und ein Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht aufweist, die durch ein dielektrisches Tunnelbarrierenelement voneinander getrennt sind, wobei jede der Schreibwortleitungen und eine entsprechende Anzahl der Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Direktzugriffsspeicher-(MRAM-)Einheit und ein Verfahren zum Herstellen einer MRAM-Einheit.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein permanenter MRAM eignet sich zum Speichern von Daten in der Magnetisierung einer Matrix von Bitspeicherzellen. Ein solcher herkömmlicher MRAM oder eine MRAM-Einheit besteht aus einer zweidimensionalen Matrix von Magnettunnelübergängen (MTJ), den Bitspeicherzellen, die durch Wortleitungen und Bitleitungen miteinander verbunden sind. Ein herkömmlicher MTJ besteht aus zwei durch eine dünne dielektrische Tunnelbarrierenschicht getrennte ferromagnetischen Schichten. Eine dieser beiden ferromagnetischen Schichten dient als Permanentmagnet, die so genannte ferromagnetische Schicht oder feste Schicht. Die Magnetisierung der anderen Schicht hingegen, der so genannten freien Magnetisierungsschicht, kann zum Beispiel durch Anlegen eines externen Magnetfeldes gedreht werden. Der Tunnelmagnetwiderstand des MTJ hängt von der relativen Ausrichtung der Magnetisierung der freien Schicht und der festen Schicht zueinander ab. Zum Adressieren einer einzelnen Bitspeicherzelle während einer Leseoperation kann ein eindimensionales Auswahlschema verwendet werden (siehe Literaturhinweis [1]). Zum Beispiel kann eine Leseoperation durch Messen des elektrischen Widerstands einer Bitspeicherzelle durchgeführt werden.
Eine alternative Architektur zum Lesen der Bitspeicherzellen besteht darin, jede Bitspeicherzelle in der Matrix mit Bitleitungen und Wortleitungen zu verbinden. Ein solches Schema wird zum Beispiel im Literaturhinweis [2] beschrieben. Ferner wird im Literaturhinweis [3] eine Bewertung der Auswirkungen von Strahlung auf MRAM-Einheiten beschrieben.
Außerdem wird unter Bezugnahme auf Literaturhinweis [4] ein thermisch unterstützter Schreibvorgang in einer MRAM-Einheit gezeigt. Im Literaturhinweis [5] werden Wände magnetischer Domänen unter eingeengten geometrischen Verhältnissen erörtert.
Ferner wird in der US-Patentanmeldung 2005/0242384 A1 eine magnetische Speichereinheit beschrieben, die ein magnetoresistives Element aufweist, das an einem Schnittpunkt zwischen einer ersten Schreibleitung und einer zweiten Schreibleitung bereitgestellt wird. Ferner weist das magnetoresistive Element eine Vorzugsachse, die sich in einer Verlängerungsrichtung der ersten Schreibleitung erstreckt, und eine erste leitende Schicht auf, die elektrisch mit dem magnetoresistiven Element verbunden ist, wobei die erste leitende Schicht Seiten aufweist, die mit den Seiten des magnetoresistiven Elements bündig abschließen.
Darüber hinaus wird in der US-Patentschrift 7 245 524 B2 eine magnetische Speichereinheit beschrieben, die eine erste Schreibverdrahtung, die in einer ersten Richtung verläuft, eine zweite Schreibverdrahtung, die in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung verläuft, und ein magnetoresistives Element enthält, das an einem Kreuzungspunkt zwischen der ersten und der zweiten Schreibverdrahtung angeordnet ist, eine feste Schicht, eine Aufzeichnungsschicht und eine magnetoresistive Schicht aufweist, die zwischen der festen Schicht und der Aufzeichnungsschicht eingeschlossen ist, und eine magnetische Vorzugsrichtung aufweist, die in Bezug auf die erste und die zweite Richtung schräg angeordnet ist, wobei die Aufzeichnungsschicht eine erste ferromagnetische Schicht, eine zweite ferromagnetische Schicht und eine erste unmagnetische Schicht enthält, die zwischen der ersten und der zweiten ferromagnetischen Schicht eingeschlossen ist, wobei die erste Magnetisierung der ersten ferromagnetischen Schicht und die zweite Magnetisierung der zweiten ferromagnetischen Schicht ferromagnetisch gekoppelt sind und eine ferromagnetische Kopplungskonstante C einer ferromagnetischen Kopplung 0,0001 erg/cm² ≤ C ≤ 0,2 erg/cm² beträgt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine MRAM-Einheit vorgeschlagen, die Lesewortleitungen, Schreibwortleitungen, Bitleitungen und eine Vielzahl von Bitspeicherzellen aufweist, die durch die Lesewortleitungen, den Schreibwortleitungen und den Bitleitungen verbunden sind, wobei jede der Bitspeicherzellen ein Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht und ein Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht aufweist, die durch ein dielektrisches Tunnelbarrierenelement voneinander getrennt sind, wobei jede der Schreibwortleitungen und eine entsprechende Anzahl Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung gebildet sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer MRAM-Einheit bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen von Lesewortleitungen, Schreibwortleitungen und Bitleitungen,
Bereitstellen einer Vielzahl von Bitspeicherzellen, wobei jede der Bitspeicherzellen mit einem Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht und mit einem Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht ausgestattet ist, die durch ein dielektrisches Tunnelbarrierenelement voneinander getrennt sind, wobei jede der Lesewortleitungen und eine entsprechende Anzahl Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht als eine einzige durchgehende ferromagnetischen Leitung gebildet sind, und
Verbinden der Bitspeicherzellen durch die Lesewortleitungen, die Schreibwortleitungen und die Bitleitungen.
Gemäß einigen Implementierungen kann die MRAM-Einheit auch als hybride MRAM-Einheit (HMRAM) bezeichnet werden, da die Einheit eine Mischung zwischen einem Racetrack-Speicher und einem klassischen MRAM darstellt.
Somit ist der vorliegende HMRAM gemäß einigen Implementierungen geeignet, ohne die Verwendung eines Bitzellenschalters gleichzeitig Einzelzellenselektivität und hohe Packungsdichte zu erreichen.
Gemäß einigen Implementierungen kann die vorliegende HMRAM-Zelle einen niedrigen Füllfaktor 4F2 erreichen, der bei einer herkömmlichen MRAM-Zelle größer als 40F2 ist (siehe Literaturhinweise [1] und [2]).
Gemäß einigen Implementierungen kann durch den Verzicht auf den genannten herkömmlichen Zellenauswahlschalter die Herstellung der HMRAM-Einheit vereinfacht und die Gleichmäßigkeit der Tunnelbarriere über den Wafer hinweg verbessert und somit die Schwankungsbreite der Widerstandswerte der Bitspeicherzellen untereinander verringert werden.
Gemäß einigen Implementierungen können darüber hinaus metastabile Magnetisierungszustände in der freien Schicht vermieden werden, wodurch die Geometrie der Speicherzelle und die Strukturen der Magnetschichten der betreffenden HMRAM-Bitzelle beträchtlich vereinfacht werden können. Ferner kann das so genannte Halbauswahlproblem ohne eine komplizierte Architektur gelöst werden. Das Halbauswahlproblem wird zum Beispiel im Literaturhinweis [6] beschrieben.
Gemäß einigen Implementierungen kann das zweidimensionale Schreibauswahlschema auch zum Lesen des Status der betreffenden Bitspeicherzelle verwendet werden. Um diese Funktionalität zu erreichen, werden beim vorliegenden HMRAM unter anderem die Schreibwortleitungen und die freie Schicht zu einer durchgehenden ferromagnetischen Leitung vereinigt. Diesbezüglich kann das Element mit der freien Schicht im MTJ durch den Kreuzungspunkt der Bitleitung und der ferromagnetischen Schreibwortleitungen definiert werden.
Gemäß einigen Implementierungen kann der Zellenauswahlschalter ferner durch eine Lesewortleitung ersetzt werden, die parallel zur Schreibwortleitungen angeordnet werden kann.
Gemäß einigen Implementierungen kann somit durch diese Konfiguration der Bitspeicherzellen ein zweidimensionales Auswahlschema sowohl für Lese- als auch für Schreiboperationen verwendet werden.
Gemäß einigen Implementierungen weist die MRAM-Einheit aufgrund der durch die CMOS-Technologie verkleinerten Chip-Fläche eine verbesserte Strahlungsbeständigkeit auf, zum Beispiel weil insbesondere einzelne Latch-up-Ereignisse in CMOS-Komponenten die Hauptursache für den Ausfall von Einheiten in Strahlungsumgebungen darstellen, was in [3] beschrieben wird.
Die vorliegende HMRAM-Bitzelle kann sich von einer herkömmlichen MRAM-Bitzelle im Aufbau des Elements mit einer freien Schicht unterscheiden, das in die Schreibwortleitung eingefügt wird, um einen einzigen durchgehenden Streifen aus ferromagnetischem Material zu bilden. Aufgrund der Formanisotropie kann die Magnetisierung in der Schreibwortleitung parallel zur Achse der Schreibwortleitungen und parallel oder antiparallel zur festen Magnetisierung des unteren ferromagnetischen Teils der Zelle sein. Wenn die Schreibwortleitung zum Beispiel in einer parallelen Ausrichtung angeregt wird, ist der entstehende Tunnelmagnetwiderstand gering. Um in den hochohmigen Zustand umzuschalten, muss die Magnetisierung unter der Bitleitung um 180 Grad gedreht werden, damit es auf das Magnetfeld, das durch den in der Bitleitung fließenden Stromimpuls erzeugt wird, ausgerichtet wird. Wenn eine einzelne Zelle ausgewählt werden soll, kann das durch den Stromimpuls verursachte Feld möglicherweise nicht ausreichen, um die Magnetisierung unter der Bitleitung zu drehen. Ein zweiter durch die Schreibwortleitung fließender Stromimpuls kann das ferromagnetische Material durch Freiwerden Ohmscher Wärme aufheizen. Somit kann die Schwellenfeldstärke zum Erreichen der Magnetisierung verringert werden. Nur die am Kreuzungspunkt der Schreibwortleitung und der Bitleitung gelegene Bitspeicherzelle kann dem gleichzeitigen Einfluss von hoher Temperatur und Magnetfeld unterliegen, sodass die Magnetisierung auf das Feld ausgerichtet wird. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Verdrahtungsschema, bei dem das schaltende Feld durch die Vektorsumme der beiden durch die Wortleitung und die zu dieser orthogonale Bitleitung erzeugten Felder erreicht wird, kann das vorliegende Schema das oben erwähnte Halbauswahlproblem vermeiden, bei dem Zellen auf derselben Leitung aufgrund der unvermeidbaren Spreizung der schaltenden Felder leicht schalten.
Beim Drehen der Magnetisierung kommt es in zwei Domänenwänden zur Keimbildung, und sie werden an den Rändern der Bitleitung fixiert. Die Domänenwände können in Verengungen in der Schreibwortleitungen fixiert werden. Die Geometrie der vorliegenden HMRAM-Einheit kann so beschaffen sein, dass ein hinreichend großes Fixierungspotenzial auf die Domänenwände einwirkt und die Domänenwände gleichermaßen aber auch im entgegengesetzten Feld wieder gelöst werden können.
Gemäß einigen Implementierungen kann der Mindestabstand zwischen zwei Bitleitungen durch mindestens die doppelte Breite der Domänenwände vorgegeben werden. Während die Breite der Domänenwände in weichmagnetischen Materialien wie beispielsweise Permalloy unter Bezugnahme auf den Literaturhinweis [5] bis zu einigen 100 nm erreichen kann, kann eine verengte Wand eine typische Ausdehnung in der Größe der geometrischen Breite der Verengung aufweisen. Ferner kann ein Übergang vom hochohmigen Zustand zurück zum niederohmigen Zustand auf eine ähnliche Weise erreicht werden, mit dem Unterschied, dass der in der Bitleitung fließende Stromimpuls eine umgekehrte Richtung aufweisen kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann der MRAM ferner dielektrische Schichtelemente aufweisen, wobei jedes der dielektrischen Schichtelemente jeweils zwischen einer der Bitleitungen und der durchgehenden ferromagnetischen Leitung angeordnet ist, um ein kapazitives Element zu bilden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das kapazitive Element so konfiguriert werden, dass es bei Schreiboperationen einen Isolator bildet.
Da das kapazitive Element bei Schreiboperationen einen Isolator bilden kann, kann somit bei der Schreiboperation vorteilhafterweise kein Strom zwischen der Bitleitung und der Schreibwortleitung fließen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das kapazitive Element so konfiguriert werden, dass es bei Leseoperationen einen Leiter bildet.
Da das kapazitive Element bei Leseoperationen einen Leiter bilden kann, kann ein Strom von der Bitleitung über die Schreibwortleitung und die ausgewählte Bitspeicherzelle zu der Lesewortleitung fließen. Somit kann die ausgewählte Speicherzelle ausgelesen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das kapazitive Element so konfiguriert werden, dass es bei Schreiboperationen einen Isolator und bei Leseoperationen einen Leiter bildet.
Somit kann das beschriebene kapazitive Element je nach Betriebsart, also Leseoperation oder Schreiboperation, eine Doppelfunktion ausführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Bitspeicherzellen unterhalb jeweils einer der Schreibwortleitungen angeordnet werden, wobei die jeweils eine der Schreibwortleitungen und Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht der Bitspeicherzellen als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung gebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Bitspeicherzellen als Matrix mit Zeilen und Spalten angeordnet, wobei die in einer Zeile angeordneten Bitspeicherzellen mit einer Schreibwortleitung verbunden werden können und wobei die eine Schreibwortleitung und die Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht der Bitspeicherzellen als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung gebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das betreffende Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht jeder der Bitspeicherzellen als Teil der durchgehenden ferromagnetischen Leitung gebildet, wobei der Teil an einem Kreuzungsbereich der durchgehenden ferromagnetischen Leitung und der betreffenden Bitleitung angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die durchgehenden ferromagnetischen Leitungen und die Bitleitungen senkrecht zueinander angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jede der entsprechenden Lesewortleitungen parallel zu jeweils einer der durchgehenden ferromagnetischen Leitungen angeordnet und so konfiguriert werden, dass ein zweidimensionales Auswahlschema für Leseoperationen und für Schreiboperationen anwendbar ist.
Da eine solche Anordnung zwischen den Lesewortleitungen und den Schreibwortleitungen Teil der durchgehenden ferromagnetischen Leitung ist, kann ein zweidimensionales Auswahlschema vorteilhafterweise sowohl für Leseoperationen als auch für Schreiboperationen anwendbar sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Bitspeicherzellen in einer zweidimensionalen Anordnung mit Zeilen und Spalten angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Bitspeicherzellen in einer dreidimensionalen Anordnung mit einer Vielzahl zweidimensionaler Matrices von Bitspeicherzellen angeordnet werden, wobei die zweidimensionalen Matrices übereinander gestapelt werden.
Durch Verwendung der vorliegenden HMRAM-Zellen kann eine dreidimensionale Anordnung von MRAM-Zellen möglicherweise von Vorteil sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können das Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht und das Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht jeweils durch ein ferromagnetische Material, z. B. NiFe, CoFe, CoFeB oder MnFe, gebildet werden. Ferner können die Materialien in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen verwendet werden. MnFe kann in mehrschichtigen Strukturen als Antiferromagnet verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht so konfiguriert werden, dass es sich wie ein Permanentmagnet verhält.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht so konfiguriert werden, dass es durch eine vorgegebene Anregung wie beispielsweise das Einwirken eines externen Magnetfeldes und einer Temperatur veränderlich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das dielektrische Tunnelbarrierenelement MgO oder Al₂O₃ aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das dielektrische Schichtelement ein Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten, z. B. nanoporiges Siliciumdioxid, Hydrogensilsesquioxane (HSQ), Teflon-AF (Polytetrafluorethylen oder PTFE), Siliciumoxyflourid (FSG) oder ein Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten, z. B. SiN_x, Ta₂O₅, Al₂O₃, ZrO₂ und HfO₂, PZT, mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Fixierungsstellen der Domänenwände jeweils in der Nähe von Kreuzungsbereichen der durchgehenden ferromagnetischen Leitungen und der betreffenden Bitleitungen bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Form jeder der Fixierungsstellen der Domänenwände durch eine gekrümmte Form oder eine Vieleckform realisiert. Insbesondere kann die Form der betreffenden Fixierungsstelle der Domänenwand dreieckig, rechteckig, fünfeckig oder parabolisch sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Größe jeder der betreffenden Fixierungsstellen der Domänenwände in Abhängigkeit von der Geometrie und/oder dem Material der durchgehenden ferromagnetischen Leitung konfiguriert.
Die Breite der Domänenwände kann von den Materialeigenschaften und von der Breite und Dicke der durchgehenden ferromagnetischen Leitung abhängen. Insbesondere kann die Größe der Fixierungsstelle proportional der Breite der Domänenwand sein, wenn sie sich in dem Leitungsabschnitt der durchgehenden ferromagnetischen Leitung befindet, in dem keine Verengung vorhanden ist.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine Vorderansicht eines schematischen Blockschaubildes einer Ausführungsform einer hybriden MRAM-Einheit;
2 zeigt eine Seitenansicht des schematischen Blockschaubildes der Ausführungsform der hybriden MRAM-Einheit von 1;
3 zeigt eine Draufsicht des schematischen Blockschaubildes der Ausführungsform der hybriden MRAM-Einheit von 1;
4 zeigt ein schematisches Blockschaubild einer durchgehenden ferromagnetischen Leitung, die die Funktionalität einer Schreibwortleitung und einer Anzahl von Elementen mit einer freien ferromagnetischen Schicht beinhaltet;
5 zeigt einen äquivalenten Schaltkreis einer HMRAM-Zelle von 1 bis 3, die für Schreiboperationen konfiguriert ist;
6 zeigt einen äquivalenten Schaltkreis der HMRAM-Zelle von 1 bis 3, die für Leseoperationen konfiguriert ist; und
7 zeigt eine Ausführungsform einer Folge von Arbeitsschritten des Verfahren zum Herstellen einer HMRAM-Einheit.
Sofern nichts anderes angemerkt, sind gleichen oder funktionell ähnlichen Elementen in den Figuren dieselben Bezugszeichen zugeordnet worden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 bis 3 zeigen verschiedene Ansichten eines schematischen Blockschaubildes einer Ausführungsform einer hybriden MRAM-Einheit (HMRAM) 10. Insbesondere stellen 1 eine Vorderansicht, 2 eine Seitenansicht und 3 eine Draufsicht der HMRAM-Einheit 10 dar.
Ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit zeigt die HMRAM-Einheit 10 von 1 bis 3 nur einen Ausschnitt mit drei Bitleitungen 21 bis 23, drei Schreibwortleitungen 31 bis 33, drei Lesewortleitungen 41 bis 43 und drei Bitspeicherzellen 51 bis 53.
Jede der Bitspeicherzellen 51 bis 53 weist ein Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht 61 bis 63 und ein Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 bis 73 auf. Die Elemente mit einer festen ferromagnetischen Schicht 61 bis 63 und die Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 bis 73 sind jeweils durch ein dielektrisches Tunnelbarrierenelement 81 bis 83 voneinander getrennt. Zum Beispiel weist die linke Bitspeicherzelle 51 das Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht 61, das Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 und das dielektrische Tunnelbarrierenelement 81 auf.
Die jeweilige Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht 61 bis 63 und das jeweilige Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 bis 73 werden durch ein ferromagnetisches Material gebildet. Beispiele für ein solches ferromagnetisches Material sind NiFe, CoFe und CoFeB. Die ferromagnetischen Materialien der Elemente mit einer festen ferromagnetischen Schicht 61 bis 63 und der Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 bis 73 können gleich oder unterschiedlich sein.
Jedes der Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht 61 bis 63 ist so konfiguriert, dass es durch eine vorgegebene Anregung verändert werden kann. Als Beispiel für eine solche Anregung kann das Einwirken eines externen Magnetfeldes und einer Temperatur dienen.
Insbesondere können die Bitspeicherzellen 51 bis 53 unter Bezugnahme auf 3 als Matrix mit Zeilen und Spalten angeordnet werden. Die in einer Zeile angeordneten Bitspeicherzellen, zum Beispiel die Bitspeicherzellen 51 bis 53, sind mit einer einzigen Schreibwortleitung, hier der Schreibwortleitung 31, verbunden. Die eine Schreibwortleitung 31 und die Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 bis 73 dieser Bitspeicherzellen 51 bis 53 der einen Zeile sind als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung 91 gebildet. Dasselbe gilt für die weiteren durchgehenden ferromagnetischen Leitungen 92 und 93.
Ferner werden unter Bezugnahme auf 3 Fixierungsstellen der Domänenwände, die beispielhaft durch die Bezugsnummer 130 bezeichnet werden, in einer angemessenen Nähe zu den Kreuzungsbereichen der durchgehenden ferromagnetischen Leitungen 91 bis 93 und der betreffenden Bitleitungen 21 bis 23 bereitgestellt. Insbesondere wird die Größe jeder Fixierungsstelle 130 der zugehörigen Domänenwände in Abhängigkeit von der Geometrie und/oder vom Material der betreffenden durchgehenden ferromagnetischen Leitungen 91 bis 93 konfiguriert.
Darüber hinaus können die Bitspeicherzellen 51 bis 53 in einer dreidimensionalen Struktur mit einer Vielzahl der erörterten zweidimensionalen Matrices von Bitspeicherzellen 51 bis 53 angeordnet werden, wobei die zweidimensionalen Matrices übereinander gestapelt werden können.
Ferner kann zwischen jede der jeweiligen Bitleitungen 21 bis 23 und jede der jeweiligen durchgehenden ferromagnetischen Leitungen 91 bis 93 ein dielektrisches Schichtelement 101 bis 103 eingefügt werden, um ein kapazitives Element zwischen den jeweiligen Bitleitungen 21 bis 23 und den jeweiligen durchgehenden ferromagnetischen Leitungen 91 bis 93 zu bilden. Das durch die dielektrische Schichten 101 bis 103 gebildete kapazitive Element kann so beschaffen sein, dass es bei Schreiboperationen einen Isolator und bei Leseoperationen einen Leiter bildet.
Unter Bezugnahme auf 1 sind die Schreibwortleitung 31 und die unter der Schreibwortleitung 31 angeordneten Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 bis 73 der Bitspeicherzellen 51 bis 53 als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung 91 gebildet.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist jede der betreffenden Schreibwortleitungen 41 bis 43 parallel zu jeder der betreffenden durchgehenden ferromagnetischen Leitungen 91 bis 93 angeordnet und so konfiguriert, dass ein zweidimensionales Auswahlschema für Leseoperationen und für Schreiboperationen der HRAM-Einheit 10 anwendbar ist. Zum Beispiel ist die Lesewortleitung 41 parallel zu der durchgehenden ferromagnetischen Leitung 91 und somit parallel zu der Schreibwortleitung 31 als Teil der durchgehenden ferromagnetischen Leitung 91 angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist eine Diodenschicht 111 bis 113 zwischen den Elementen mit einer festen ferromagnetischen Schicht 61 bis 63 und jeder der betreffenden Schreibwortleitungen 41 bis 43 angeordnet. Die Diodenschicht 111 bis 113 kann so beschaffen sein, dass sie einen Auswahlmechanismus für die betreffenden Bitspeicherzellen 51 bis 53 bereitstellt. Die Verwendung einer solchen Diode oder Diodenschicht ist aus der US-Patentschrift 7 245 524 B2 bekannt.
4 zeigt ein detailliertes schematische Blockschaubild einer durchgehenden ferromagnetischen Leitung 91, die die Funktionalität einer Schreibwortleitung 31 und einer Anzahl von Elementen mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 bis 73 aufweist. Insbesondere veranschaulicht 4, dass die durchgehende ferromagnetische Leitung 91 eine Anzahl verschiedener Abschnitte a bis e mit unterschiedlicher Funktionalität aufweist.
Die Abschnitte a, c und e sind unterhalb einer entsprechenden Bitleitung 21 bis 23 (siehe 3) angeordnet. Die Abschnitte b und d hingegen sind unter keiner Bitleitung angeordnet. In den Abschnitten a, c, und e kann das betreffende Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 bis 73 der betreffenden Bitspeicherzelle 51 bis 53 als Teil der durchgehenden ferromagnetischen Leitung 91 gebildet werden. (siehe ebenfalls 3).
5 und 6 zeigen einen äquivalenten Schaltkreis 200 einer HMRAM-Zelle 10 von 1 bis 3, die für Schreiboperationen bzw. für Leseoperationen konfiguriert ist.
Der äquivalente Schaltkreis 200 der HMRAM-Zelle 10 veranschaulicht den Strompfad während einer Schreiboperation bzw. während der Leseoperation. Die Strompfade 300 sind fett gedruckt.
Der äquivalente Schaltkreis 200 von 5 und 6 weist eine Bitleitung 210, eine Schreibwortleitung 220 und eine Lesewortleitung 230 auf.
In dem äquivalenten Schaltkreis 200 wird die entsprechende Speicherzelle 51 bis 53 von 1 bis 3 mit dem Element mit einer festen Schicht 61 bis 63, dem Element mit einer freien Schicht 71 bis 73 und dem dielektrischen Tunnelbarrierenelement 81 bis 83 durch einen Kondensator 241 bis 243 und einen in Reihe geschalteten Stellwiderstand 251 bis 253 dargestellt. Zum Beispiel wird die Speicherzelle 51 durch den Kondensator 241 und den Stellwiderstand 251 dargestellt. Jeder der entsprechenden Kondensatoren 241 bis 243 kann einen Kapazitätswert C1 aufweisen. Jeder der entsprechenden Stellwiderstände 251 bis 253 kann einen Widerstandswert R1 aufweisen. Jeder der entsprechenden Stellwiderstände 251 bis 253 kann nur zwischen zwei Zuständen R1_hoch und R1_niedrig für die antiparallele bzw. die parallele Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schichten 61 bis 63 und 71 bis 73 umschalten.
Jede der entsprechenden dielektrischen Schichten 101 bis 103 von 1 bis 3 zwischen der Bitleitung 21 bis 23 und der Schreibwortleitung 31 bis 33 (durchgehende ferromagnetische Leitung 91 bis 93) wird durch einen Kondensator 261 bis 263 mit einem entsprechenden Kapazitätswert C2 dargestellt.
Um ein Magnetfeld zu erzeugen, wird zum Einspeisen des Stroms in die Bitleitung 210 ein erster Impulsgenerator 271 verwendet. Ferner wird zum Einspeisen des Stroms in die Schreibwortleitung 220 ein zweiter Impulsgenerator 272 verwendet, um die Temperatur in der freien ferromagnetischen Schicht zu erhöhen. Darüber hinaus kann der während einer Schreiboperation verwendete zweite Impulsgenerator 272 auf ein separates Potenzial bezogen werden, insbesondere auf ein gesondertes Massepotenzial in Bezug auf den Impulsgenerator 271. Darüber hinaus kann der Impulsgenerator 273 während einer Leseoperation in den Schaltkreis 200 eingeschaltet werden und kann den Stromimpuls durch die Bitleitung 210, die Bitspeicherzelle und die Lesewortleitung einspeisen, um den Status der betreffenden Bitspeicherzelle zu lesen.
Der Widerstand des Abschnitts der Schreibwortleitung 220 zwischen zwei Bitzellen kann den Widerstandswert R2 mit den Bezugsnummern 311, 312 aufweisen. Ferner können die Widerstandsabschnitte 321, 322 der Bitleitung 210 vor und nach der ausgewählten Zelle einen entsprechenden Widerstandswert R3 aufweisen.
Insbesondere zeigt 5 den Strompfad 300 der Schreiboperation. Ferner ist der Schaltkreis 200 unter Bezugnahme auf 5 wie folgt aufgebaut. Der erste Impulsgenerator 271 wird mittels der Schalter 281 und 282 in den Schaltkreis 200 eingeschaltet. Darüber hinaus wird der zweite Impulsgenerator 272 mittels der Schalter 283 und 284 in den Schaltkreis 200 eingeschaltet.
Aufgrund der Gleichrichtungswirkung der Dioden 291 bis 293 können zwischen den Bitspeicherzellen keine geschlossenen Stromkreise aufrecht erhalten werden. Ferner kann zwischen der Bitleitung 210 und der Schreibwortleitung 220 kein Strom fließen, obwohl sie durch die Kondensatoren 261 bis 263 kapazitiv miteinander gekoppelt sind, da sie mittels der Schalter 282 und 284 auf unterschiedliche Massepotenziale bezogen werden. Da der erste und der zweite Impulsgenerator 271, 272, 273 als Stromquellen infrage kommen und Verluste entlang der Leitungen 210 und 220 minimiert werden können, können die Amplitude des Feldes und die in der Schreibwortleitung 220 freiwerdende Wärme für jede Bitspeicherzelle gleich groß sein. Alternativ können der erste und der zweite Impulsgenerator 271, 272, 273 als Spannungsquellen realisiert werden.
Unter Bezugnahme auf 6 wird eine entsprechende Leseoperation gezeigt, wobei die Bezugsnummer 300 den Strompfad während der Leseoperation anzeigt.
Ferner ist der Schaltkreis 200 unter Bezugnahme auf 6 wie folgt aufgebaut: Der erste Impulsgenerator 273 wird mittels des Schalters 281 (282 ist offen) in den Schaltkreis 200 eingeschaltet und die Lesewortleitung 230 mittels des Schalters 285 auf Massepotenzial gelegt.
Der durch den ersten Impulsgenerator 273 in der Bitleitung 210 erzeugte Stromimpuls breitet sich nur durch die am Kreuzungspunkt mit der Lesewortleitung 230 gelegene Bitspeicherzelle aus. Die Amplitude und die Dauer des Impulses kann möglicherweise nicht ausreichen, um eine Keimbildung oder Freigabe und Ausbreitung der Domänenwände zu bewirken.
Um die Selektivität der Leseoperation zu gewährleisten, kann das Verhältnis zwischen R2 und R1_hoch – R1_niedrig größer als 1 sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Dioden 291 bis 293 in benachbarten Bitspeicherzellen nicht leitend werden. Die Anzahl der durch ein und dieselbe Bitleitung 210 verbundenen Speicherzellen kann durch das Widerstandssegment 322 mit dem Widerstandswert R3 und durch die Differenz zwischen R1 und der Differenz R1_hoch – R1_niedrig begrenzt werden.
Ferner zeigt 7 eine Ausführungsform einer Folge von Arbeitsschritten des Verfahrens zum Herstellen einer HMRAM-Einheit 10. Das Verfahren von 7 wird unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben.
In einem Schritt 701 werden Bitleitungen 21 bis 23, Schreibwortleitungen 31 bis 33 und Lesewortleitungen 41 bis 43 bereitgestellt.
In einem Schritt 702 werden eine Vielzahl von Bitspeicherzellen 51 bis 53 bereitgestellt, wobei jede der Bitspeicherzellen 51 bis 53 mit einem Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht 61 bis 63 und einem Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 bis 73 ausgestattet ist, die durch ein dielektrisches Tunnelbarrierenelement 81 bis 83 voneinander getrennt werden. Jede der Schreibwortleitungen 31 bis 33 und eine entsprechende Anzahl der Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht 71 bis 73 sind als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung 91 bis 93 gebildet.
Ferner werden in Schritt 703 die Bitspeicherzellen 51 bis 53 durch die Bitleitungen 21 bis 23, die Schreibwortleitungen 31 bis 33 und die Lesewortleitungen 41 bis 43 miteinander verbunden.
Alle oben erwähnten Ausführungsformen der Verfahren der vorliegenden Erfindung können durch entsprechende Mittel verkörpert werden, um eine entsprechende Ausführungsform der Einheit der vorliegenden Erfindung zu bilden.
Was hierin beschrieben wurde, soll lediglich die Anwendung der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Der Fachmann kann weitere Anordnungen und Systeme realisieren, ohne vom Schutzumfang und vom Wesensgehalt dieser Erfindung abzuweichen.
LITERATURHINWEISE

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[2] T. M. Maffitt, J. K. DeBrosse, J. A. Gabric, E. T. Gow, M. C. Lamorey, J. S. Parenteau, D. R. Willmott, M. A. Wood, W. J. Gallagher, IBM J. Res. Dev. 50, 25 (2006)
[3] M. Elghefari, S. McClure, http://hdl.handle.net/2014/40809, JPL-NASA (2008)
[4] http://www.spintec.fr/MRAM-Thermally-Assisted-Writing.html
[5] P.-O. Jubert, R. Allenspach und A. Bischof, Phys. Rev. B 69, 220410R (2005)
[6] W. J. Gallagher und S. S. P. Parkin, IBM J. Res. Develop. 50, 5 (2006)

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 7245524 B2 [0006, 0066]

Claims

Magnetische Direktzugriffsspeicher-(MRAM-)Einheit (10), aufweisend: Bitleitungen (21 bis 23), Schreibwortleitungen (31 bis 33), Lesewortleitungen (41 bis 43) und eine Vielzahl von Bitspeicherzellen (51 bis 53), die durch die Bitleitungen (21 bis 23), die Schreibwortleitungen (31 bis 33) und die Lesewortleitungen (41 bis 43) miteinander verbunden sind, wobei jede der Bitspeicherzellen (51 bis 53) ein Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht (61 bis 63) und ein Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht (71 bis 73) aufweist, die durch ein dielektrisches Tunnelbarrierenelement (81 bis 83) voneinander getrennt sind, wobei jede der Schreibwortleitungen (31 bis 33) und eine entsprechende Anzahl der Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht (71 bis 73) als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung (91 bis 93) gebildet sind.
MRAM-Einheit nach Anspruch 1, die ferner dielektrische Schichtelemente (101 bis 103) aufweist, wobei jedes der dielektrischen Schichtelemente jeweils zwischen einer der Bitleitungen (21 bis 23) und einer der durchgehenden ferromagnetischen Leitungen (91 bis 93) angeordnet ist, um ein kapazitives Element zu bilden.
MRAM-Einheit nach Anspruch 2, wobei das kapazitive Element so konfiguriert ist, dass es bei Schreiboperationen einen Isolator bildet.
MRAM-Einheit nach Anspruch 2 oder 3, wobei das kapazitive Element so konfiguriert ist, dass es bei Leseoperationen einen Leiter bildet.
MRAM-Einheit nach Anspruch 2, wobei das kapazitive Element so konfiguriert ist, dass es bei Schreiboperationen einen Isolator bildet und bei Leseoperationen einen Leiter bildet.
MRAM-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bitspeicherzellen (51 bis 53) unterhalb jeweils einer der Schreibwortleitungen (31) angeordnet sind, wobei die jeweils eine der Schreibwortleitungen (31) und die Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht (71 bis 73) der Bitspeicherzellen (51 bis 53) als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung (91) gebildet sind.
MRAM-Einheit nach dem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bitspeicherzellen (51 bis 53) als Matrix mit Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei die in einer Zeile angeordneten Bitspeicherzellen (51 bis 53) mit einer Schreibwortleitung (31) verbunden sind, wobei die eine Schreibwortleitung (31) und die Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht (71 bis 73) der Bitspeicherzellen (51 bis 53) der einen Zeile als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung (91) gebildet sind.
MRAM-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht (71 bis 73) der betreffenden Bitspeicherzelle (51 bis 53) als Teil der durchgehenden ferromagnetischen Leitung (91) gebildet ist, wobei der Teil in einem Kreuzungsbereich der durchgehenden ferromagnetischen Leitung (91) und der betreffenden Bitleitung (21 bis 23) gebildet ist.
MRAM-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Lesewortleitungen (41 bis 43) parallel zu jeweils einer der durchgehenden ferromagnetischen Leitungen (91 bis 93) angeordnet und so konfiguriert ist, dass ein zweidimensionales Auswahlschema für Leseoperationen und für Schreiboperationen anwendbar ist.
MRAM-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bitspeicherzellen (51 bis 53) in einer dreidimensionalen Anordnung mit einer Vielzahl zweidimensionaler Matrices von Bitspeicherzellen (51 bis 53) angeordnet und die zweidimensionalen Matrices übereinander gestapelt sind.
MRAM-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht (61 bis 63) und das Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht (71 bis 73) jeweils aus einem ferromagnetischen Material gebildet sind, das insbesondere NiFe, CoFe oder CoFeB aufweist.
MRAM-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht (61 bis 63) so konfiguriert ist, dass es durch eine vorgegebene Anregung wie beispielsweise das Einwirken eines externen Magnetfeldes und einer Temperatur veränderbar ist.
MRAM-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fixierungsstellen der Domänenwände (130) jeweils in der Nähe von Kreuzungsbereichen der durchgehenden ferromagnetischen Leitungen (91) und entsprechender Bitleitungen (21 bis 23) bereitgestellt werden.
MRAM-Einheit nach Anspruch 13, wobei eine Form jeder der Fixierungsstellen der Domänenwände als gekrümmte Form oder als Vieleckform realisiert wird, und wobei eine Form jeder der Fixierungsstellen der Domänenwände (130) vorzugsweise in Abhängigkeit von der Geometrie und/oder einem Material der durchgehenden ferromagnetischen Leitung (91) konfiguriert ist.
Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Direktzugriffsspeicher-(MRAM)Einheit, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen (701) von Lesewortleitungen, Schreibwortleitungen und Bitleitungen, Bereitstellen (702) einer Vielzahl von Bitspeicherzellen, wobei jede der Bitspeicherzellen mit einem Element mit einer festen ferromagnetischen Schicht und mit einem Element mit einer freien ferromagnetischen Schicht ausgestattet ist, die durch ein dielektrisches Tunnelbarrierenelement voneinander getrennt sind, wobei jede der Schreibwortleitungen und eine entsprechende Anzahl der Elemente mit einer freien ferromagnetischen Schicht als eine einzige durchgehende ferromagnetische Leitung gebildet sind, und Verbinden (703) der Bitspeicherzellen untereinander durch die Lesewortleitungen, die Schreibwortleitungen und die Bitleitungen.