DE102006038510A1

DE102006038510A1 - MRAM-Zelle und Verfahren zum Einspeichern einer Information in eine MRAM-Zelle

Info

Publication number: DE102006038510A1
Application number: DE200610038510
Authority: DE
Inventors: Michael Prof. Dr. Huth; Fabrizio Dr. Porrati
Original assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Current assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2008-02-21
Also published as: WO2008019851A1

Abstract

Eine MRAM-Zelle (1) mit einer auf einem Substrat geführten ersten Steuerleitung (4) und einer auf dem Substrat geführten zweiten Steuerleitung (6), zwischen denen in ihrem Kreuzungsbereich ein Mehrschichtpaket (2) angeordnet ist, das mindestens eine magnetische Referenzschicht (8) und eine darüber angeordnete, eine Anisotropieachse (20) aufweisende schaltbare Magnetschicht (12) umfasst, soll auf besonders einfache Weise Schreib- oder Umschaltprozesse mit hoher Zuverlässigkeit bei besonders kurz gehaltenen Schaltzeiten ermöglichen. Dazu ist erfindungsgemäß die Anisotropieachse (20) annähernd senkrecht zur zweiten Steuerleitung (6) ausgerichtet, wobei die erste Steuerleitung (4) gegenüber der Anisotropieachse (20) um einen Verkippungswinkel (beta) verkippt geführt ist. Vorteilhafterweise ist die erste Steuerleitung (4) segmentiert ausgeführt. Die Schaltfelder werden durch geeignet gewählte additive Strom... auf den Steuerleitungen (4, 6) erzeugt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine MRAM-Zelle mit einer auf einem Substrat geführten ersten Steuerleitung und einer auf dem Substrat geführten zweiten Steuerleitung, in deren Kreuzungsbereich ein Mehrschichtpaket angeordnet ist, das mindestens eine magnetische Referenzschicht und eine darüber oder darunter angeordnete, eine Anisotropieachse aufweisende schaltbare Magnetschicht umfasst. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Einspeichern einer Information in eine derartige MRAM-Zelle.
Magnetische „Random Access-Speicher" (Magnetic random access memory, kurzgefasst bezeichnet als „MRAM") können die Grundlage bilden für eine nicht flüchtige Random-Access-Speichertechnologie, die die derzeitig als Standard in Computersystemen verwendete „Dynamic Random Access Memory (DRAM)"-Speichertechnologie oder auch andere gängige Speichertypen, wie beispielsweise SRAMS (statische, also nicht-flüchtige RAMs), FRAMs (ferroelektrische RAMs) oder auch Flash – Speicher ersetzen könnte. In einer derartigen MRAM-Speichertechnologie kommen so genannte MRAM-Elemente oder MRAM-Zellen zum Einsatz, die üblicherweise eine Schichtfolge von magnetischen und nicht-magnetischen Schichten umfassen, die ein Mehrschichtsystem bilden. Dieses Mehrschichtsystem kann dabei beispielsweise eine Mehrzahl ferromagnetischer Schichten umfassen, die geeignet durch nicht-magnetische Schichten voneinander getrennt sind. Die ferromagnetischen Schichten können dabei in der Art eines magnetischen Tunnelkontakts zueinander angeordnet sein.
Digitale Information kann in derartigen Speicherelementen in der Form der relativen Stellung der Magnetisierung zweier benachbarter ferromagnetischer Schichten zueinander gespeichert sein, wobei beispielsweise der logische Zustand „0" einer antiparallelen Stellung und der logische Zustand „1" einer parallelen Stellung der Magnetisierungsvektoren in den magnetischen Schichten entsprechen kann. Derartige Speicherzellen können beispielsweise in der so genannten Tunnelkontakt-Bauweise oder auch in der so genannten Giant Magnetoresisance-Bauweise ausgeführt sein. Bei der Tunnelkontakt-Bauweise ändert sich der elektrische Widerstand des Schichtsystems bei Stromfluss senkrecht durch die Schichtfolge in Abhängigkeit von der relativen Stellung der Magnetisierung der be nachbarten ferromagnetischen Schichten zueinander. Bei der Giant Magnetoresisance-Bauweise ändert sich hingegen der Flächenwiderstand des Schichtsystems in Abhängigkeit von der relativen Stellung der Magnetisierungen der benachbarten ferromagnetischen Schichten. Ein Auslesen der in einer derartigen MRAM-Zelle gespeicherten Information kann somit über eine elektrische Widerstandsmessung erfolgen. Bei sogenannten TMR-Elementen (Tunnel Magneto Resistance) ist die Distanzschicht zwischen den magnetischen Schichten isolierend. Es fließt ein Tunnelstrom senkrecht durch die Schichtfolge. Bei sogenannten GMR-Elementen (Giant Magneto Resistance) ist die Distanzschicht zwischen den magnetischen Schichten leitend. Der Strom kann senkrecht oder parallel zur Schichtfolge fließen. Die Widerstandswerte können für die „0"-Konfiguration um einige Prozent bis einige 100% verschieden sein.
Zur Einstellung definierter, reproduzierbarer Zustände in derartigen Speicherzellen umfasst das Mehrschichtpaket dabei üblicherweise zumindest eine magnetische Referenzschicht, deren Magnetisierung durch geeignete Wechselwirkung, beispielsweise aufgrund kristallografischer Eigenschaften oder aufgrund topografischer Vorgaben auf dem Substrat, in einer vorgegeben Richtung fixiert ist. Diese Referenzschicht wird auch als so genannte „pinned layer" bezeichnet. Benachbart zu dieser magnetischen Referenzschicht und von dieser durch eine nicht-magnetische Schicht getrennt ist sodann üblicherweise eine schaltbare Magnetschicht vorgesehen, deren Magnetisierungsrichtung geeignet beeinflusst werden kann.
Zur gezielten Beeinflussung dieser Magnetisierungsrichtung während eines Schreibprozesses für digitale Information ist das Mehrschichtpaket der MRAM-Zelle üblicherweise am Kreuzungspunkt zwischen zwei auf einem Substrat geführten Leiterbahnen, nämlich einerseits einer auch als Wordline bezeichneten ersten Steuerleitung und andererseits einer auch als Bitline bezeichneten zweiten Steuerleitung, zwischen diesen angeordnet. Alternativ können sich beide Steuerleitungen auch gemeinsam oberhalb oder unterhalb des Mehrschichtpakets befinden, wobei sie selbstverständlich geeignet elektrisch voneinander isoliert sein müssen. Zur Änderung des Zustands von „0" nach „1" bzw. „1" nach „0" (Schreib- oder Umschaltprozess) wird in MRAM-Speicherelementen eine Mehrzahl derartiger Zellen in einer von den jeweiligen Steuerleitungen gebildeten Leitungsmatrix verwendet, wobei die von der ersten und zweiten Steuerleitung jeweils gemeinsam erzeugten Magnetfelder an ihrem Kreuzungspunkt ein für das Umschalten der Magnetisierungsrichtung der jeweiligen schaltbaren Magnetschicht ausreichendes Magnetfeld erzeugen.
Durch geeignete Ansteuerung gezielt ausgewählter erster und zweiter Steuerleitungen ist somit die Information gezielt in einzelnen, durch den Kreuzungspunkt der jeweiligen Steuerleitungen definierten MRAM-Zellen ermöglicht.
Die in derartigen MRAM-Zellen verwendeten ferromagnetischen Materialen sind üblicherweise magnetisch anisotrop ausgeführt, um nach Einschreiben eines magnetischen Bits die lokale Magnetisierungsrichtung stabil zu erhalten. Die zum Umschalten der lokalen Magnetisierungsrichtung nötigen Magnetfelder sollten allerdings aus technischen Gründen wenige 100 A/m nicht übersteigen. Eine Anisotropie der magnetischen Schichten kann aufgrund der Kristallanisotropie des verwendeten Materials, der lateralen Formgebung des Schichtpakets, durch gezielte Schichtverspannungseffekte und/oder auch durch Vorstrukurierung des verwendeten Substrats erzielt werden. Es kommt damit zur Auszeichnung von mindestens einer Achse der leichten Magnetisierbarkeit, die sogenannte uniaxiale magnetische Anisotropie. Auch Anisotropien mit zwei leichten Achsen der Magnetisierbarkeit sind möglich, die sogenannte vierzählige oder auch kubische Anisotropie. Stabile Zustände der Magnetisierungsrichtung sind solche im wesentlichen parallel oder antiparallel zur Anisotropieachse.
Zum Umschalten können derartige MRAM-Zellen üblicherweise im so genannten Dämpfungsmodus oder im so genannten Präzessionsmodus betrieben werden. Das Umschalten im Dämpfungsmodus basiert dabei auf der Nukleation einer magnetischen Domäne mit einer Magnetisierung in gegenüber der aktuellen Magnetisierungsrichtung der schaltbaren Magnetschicht der Zelle umgekehrter Richtung. Diese Umkehrdomäne wächst als Funktion der Zeit so lange, wie das Schaltfeld anliegt, bis die Gesamtmagnetisierung der Zelle invertiert ist. Das Umschalten im Präzessionsmodus basiert hingegen auf einer Präzession der Gesamtmagnetisierung der schaltbaren Magnetschicht der Zelle um die lokale Richtung des angelegten Magnetfeldes. Bei vergleichbaren Magnetfeldstärken ist das Umschalten im Präzessionsmodus um etwa 1 bis 2 Größenordnungen schneller als das Umschalten im Dämpfungsmodus, wobei hierfür allerdings erhebliche Instabilitäten in Kauf genommen werden müssen. Beim Umschalten im Präzessionsmodus führt nämlich nach dem eigentlichen Umschaltprozess die Gesamtmagnetisierung der schaltbaren Magnetschicht der Zelle auch weiterhin eine gedämpfte Präzessionsbewegung um das ursprünglich lokal vorhandene Magnetfeld durch. Infolge dieses als „magnetisation ringing" bezeichneten Effekts steigen die Umschaltzeiten auch beim Präzessionsmodus bis in den ns-Bereich und werden damit den Umschaltzeiten beim Schalten im Dämpfungsmodus vergleichbar.
Dieses so genannte „ringing" kann durch eine gezielte und genaue Auswahl von Größe und Zeit des angelegten magnetischen Schaltfeldes verhindert werden. Dabei wird die Pulslänge des magnetischen Schaltfeldpulses derart abgestimmt, dass das magnetische Schaltfeld gerade dann abgeschaltet wird, wenn sich die Gesamtmagnetisierung der schaltbaren Magnetschicht der Zelle im energetischen Minimum – gerade also in invertierter Richtung – befindet. Ein derartiger Schaltvorgang wird als „ballistisches Schalten" bezeichnet, da er dem ballistischen Grenzfall der gedämpften Schwingung analog ist. Derartiges ballistisches Schalten, das grundsätzlich verkürzte Schaltzeiten mit vergleichsweise hoher Stabilität und Zuverlässigkeit liefern könnte, setzt jedoch eine sehr exakte Anpassung von Stärke, Feldrichtung und Pulsdauer des magnetischen Schaltfeldes voraus. Gerade beim Betrieb eines MRAM-Speichers mit einer Vielzahl derartiger MRAM-Zellen ist es daher nur mit erheblichem Aufwand möglich, die erforderlichen Schaltparameter mit der notwendigen Genauigkeit einzustellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine MRAM-Zelle der oben genannten Art anzugeben, mit der auf besonders einfache Weise Schreib- oder Umschaltprozesse mit hoher Zuverlässigkeit bei besonders kurz gehaltenen Schaltzeiten ermöglicht sind. Des Weiteren soll ein besonders geeignetes Verfahren zum Einspeichern einer Information in eine derartige MRAM-Zelle angegeben werden.
Bezüglich der MRAM-Zelle wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Anisotropieachse oder magnetisch leichte Achse der schaltbaren Magnetschicht annähernd senkrecht zur zweiten Steuerleitung ausgerichtet ist, wobei die erste Steuerleitung gegenüber der Anisotropieachse und/oder gegenüber der Orthogonalen zur zweiten Steuerleitung um einen Verkippungswinkel > 0° geführt ist.
Wie sich nämlich überraschend herausgestellt hat, können bei einer derartigen Anordnung die ersten Steuerleitung einerseits und die zweiten Steuerleitung andererseits derart gezielt mit Steuerstrompulsen beaufschlagt werden, dass lokal im Bereich der jeweiligen schaltbaren Magnetschicht eine für den Schaltvorgang besonders günstige Abfolge magnetischer Schaltfelder eingestellt werden kann. Durch die Verkippung der ersten Steuerleitung ist dabei insbesondere durch geeignete Bestromung von der ersten- und ggf. der zweiten Steuerleitung die Erzeugung zweier magnetischer Schaltfelder im Bereich der schaltbaren Magnetschicht möglich, die vom Betrag her gleich groß und ausreichend hoch sind, um überhaupt eine Änderung der Magnetisierung in der schaltbaren Magnetschicht zu erzeugen, die andererseits in ihrer Komponente parallel zur Anisotropieachse entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Durch geeignete sequentielle Erzeugung dieser beiden Schaltfelder kann dabei in einer ersten Phase des Schreibvorgangs durch Erzeugung eines dieser Schaltfelder der magnetische Zustand der schaltbaren Magnetschicht destabilisiert werden, so dass unabhängig vom vorhergehenden Zustand der MRAM-Zelle eine gezielte Einstellung der Magnetisierung erfolgen kann. Dies wird in einer zweiten Phase des Schaltvorgangs vorgenommen, indem das jeweils andere Schaltfeld erzeugt wird. Der Endzustand d.h. die nach dem Schaltvorgang verbleibende Magnetisierung, wird dabei über das jeweils letzte Schaltfeld und dessen Feldkomponente parallel zur Anisotropieachse definiert.
Wie sich in zahlreichen Versuchen herausgestellt hat, ist für den Verkippungswinkel zur Gewährleistung besonders zuverlässiger Umschaltergebnisse und einer besonders hohen Stabilität der Schaltvorgänge vorteilhafterweise ein Wert zwischen 0,5° und 45°, vorzugsweise zwischen 3° und 35°, gewählt.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die erste Steuerleitung aus einer Mehrzahl von elektrisch parallel geschalteten Segmenten, vorzugsweise aus zwei oder drei Segmenten, gebildet. Die Segmente sind dabei zweckmäßigerweise unabhängig voneinander bestrombar ausgeführt, wobei zu diesem Zweck beispielsweise geeignete Isolierungen zwischen den jeweiligen Segmenten vorgesehen sein können. Durch die segmentierte Ausführung kann jedes der parallel geschalteten Segmente der ersten Steuerleitung mit lediglich einem Teilstrom des eigentlich benötigten Ansteuerstroms beaufschlagt werden, wobei durch geeignete elektrische Verschaltung der Segmente miteinander lediglich im Bereich der eigentlichen MRAM-Zelle ein für den Schaltvorgang ausreichend hohes Magnetfeld durch Überlagerung der von den Segment-Teilströmen jeweils gelieferten Magnetfelder erreicht wird. In anderen Bereichen, insbesondere in den Raumbereichen anderer MRAM-Zellen, deren Schaltung nicht gewünscht ist, beträgt das durch den Ansteuerstrom für die erste Steuerleitung erzeugte Magnetfeld jeweils lediglich einen Bruchteil des benötigten Schaltfeldes, so dass keine unerwünschten Schaltvorgänge in derzeit nicht angesteuerten MRAM-Zellen auftreten.
Die Anisotropieachse der schaltbaren Magnetschicht ist vorteilhafterweise in der Art einer „magnetisch leichten" Achse durch die Kristallstruktur des die Magnetschicht bildenden Materials und/oder durch die laterale oder äußere Formgebung des Mehrschichtpakets oder der schaltbaren Magnetschicht und/oder durch eine geeignete Vorstrukturierung des Substrats gegeben. Die für die Ausbildung der gewünschten magnetischen Vorzugsrichtung vorgesehene Anisotropie in der schaltbaren Magnetschicht kann dabei beispielsweise durch eine geeignet gewählte anisotrope Kristallstruktur des Materials, durch die Wahl einer anisotropen Konturierung des Mehrschichtpakets, wie beispielsweise einer ellipsenförmigen Ausführung, oder auch durch eine geeignete Kombination beider Maßnahmen hergestellt sein. Die Konturierung des Mehrschichtpakts kann dabei beispielsweise dadurch vorgenommen werden, dass das Substrat vor der Aufbringung des Mehrschichtpakets in seiner Oberfläche geeignet vorstrukturiert wird, so dass bei der Deponierung des Mehrschichtpakets eine Abscheidung nur auf ausgewählten Oberflächenteilen des Substrats erfolgt.
Vorteilhafterweise ist als Basismaterial für die schaltbare Magnetschicht ein bei Raumtemperatur ferromagnetisches Material mit kubischer oder uniaxialer Anisotropie vorgesehen. Als kubische Materialien besonders geeignet sind insbesondere Eisen, Eisen-Kobalt (FeCo), Eisen-Platin (Feet) oder Kobalt mit kubischer -flächenzentrierter Kristallstruktur (Fcc-Co). Als uniaxiale Materialien besonders geeignet sind vorzugsweise Kobalt mit hexagonaler Struktur und/oder Permalloy (Eisen-Nickel-Legierung) Dabei kann durch laterale Formgebung ein aufgrund der Kristallstruktur ferromagnetisch kubisch anisotropes Material auch für die Bildung eines Schichtpakets mit uniaxialer magnetischer Anisotropie verwendet werden. Dazu ist bspw. die lange Achse eines lateral elliptisch geformten Schichtpakets entlang einer der Anisotropieachse der ferromagnetischen Schicht zu legen.
Ein besonders zuverlässiges und stabiles Umschalten zwischen zwei denkbaren Magnetisierungszuständen der schaltbaren Magnetschicht, bei dem insbesondere auch auf ein ansonsten notwendiges so genanntes „Pre-Read", also ein vorheriges Einlesen des derzeitigen Ist-Zustands der schaltbaren Magnetschicht, verzichtet werden kann, kann erreicht werden, indem die schaltbare Magnetschicht mit einer geeignet gewählten spezifischen Sequenz zweier magnetischer Schaltfelder beaufschlagt wird. Die magnetischen Schaltfelder sollten dabei derart erzeugt werden, dass sie von ihrem Betrag her annähernd gleich groß sind, dass sie aber gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse der schaltbaren Magnetschicht – und somit zur zweiten Steuerleitung – um entgegengesetzte Winkel verkippt sind. Unter Rückgriff auf eine geeignete Bestromung der zweiten Steuerleitung der MRAM-Zelle einerseits und der ersten Steuerleitung der MRAM-Zelle andererseits können derartige Schaltfelder auf besonders einfache Weise erzeugt werden, indem vorteilhafterweise zur Erzeugung eines der Schaltfelder H₁ die erste Steuerleitung mit einer ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom beaufschlagt wird. Aufgrund der verkippten Ausführung der ersten Steuerleitung weist das solchermaßen erzeugte Schaltfeld H₁ eine Verkippung gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse der Magnetschicht entsprechend der Verkippung der ersten Steuerleitung gegenüber der Anisotropieachse der Magnetschicht auf.
Das für den zweiten Schaltpuls vorgesehene, vom Betrag etwa gleich große, aber gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse gegenläufig verkippte zweite Schaltfeld H₂ kann dabei erzeugt werden, indem die erste Steuerleitung weiterhin mit der ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom beaufschlagt wird, wobei gleichzeitig die zweite Steuerleitung mit einer zweiten Steuerleitung-Ansteuerstrom beaufschlagt wird, dessen Betrag näherungsweise gleich dem doppelten Produkt aus dem Betrag der ersten Steuerleitung-Ansteuerstroms und dem Sinus des Verkippungswinkels gewählt ist. Durch die Überlagerung der über die erste Steuerleitung einerseits und über die zweite Steuerleitung andererseits jeweils erzeugten Magnetfelder entsteht in diesem Fall das gewünschte, vom Betrag her dem ersten Schaltfeld etwa gleiche, aber gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse gegenläufig gekippte Schaltfeld H₂.
Bei einer derartigen Bestromung und Erzeugung lokaler Schaltfelder kann ein besonders stabiles Umschalten erreicht werden, indem – je nach gewünschtem Endzustand, in den die MRAM-Zelle überführt werden soll – entweder zunächst im ersten Schaltpuls das Schaltfeld H₁ und sodann im zweiten Schaltpuls das Schaltfeld H₂ erzeugt wird oder umgekehrt. Die besonders günstigen Schalteigenschaften rühren bei einer derartigen Ausgestaltung daher, dass während des ersten Schaltpulses die Magnetisierung der schaltbaren Magnetschicht unabhängig von ihrem zuvor eingenommenen Zustand ausreichend destabilisiert wird, so dass durch den zweiten Schaltpuls die Magnetisierung der schaltbaren Magnetschicht endgültig in den gewünschten Endzustand überführt werden kann.
Um Schaltvorgänge der genannten Art zu ermöglichen, ist ein MRAM-Speichersystem mit einer Anzahl von MRAM-Zellen der genannten Art vorteilhafterweise mit einer Ansteu erelektronik versehen, über die die erste Steuerleitung der oder jeder MRAM-Zelle mit einer ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom und die zweite Steuerleitung der oder jeder MRAM-Zelle mit einer zweiten Steuerleitung-Ansteuerstrom in der gewünschten Höhe des doppelten Produkts aus der ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom und Sinus des Verkippungswinkels beaufschlagbar ist.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst, indem in einer ersten Steuerleitung-Ansteuerphase die erste Steuerleitung mit einer ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom und in einer zweiten Steuerleitunge-Ansteuerphase die zweite Steuerleitung mit einer zweiten Steuerleitung-Ansteuerstrom beaufschlagt werden, wobei der Betrag der zweiten Steuerleitung-Ansteuerstroms zumindest näherungsweise gleich dem doppelten Produkt aus dem Betrag der ersten Steuerleitung-Ansteuerstroms und dem Sinus des Verkippungswinkels gewählt wird.
Um dabei besonders stabile und zuverlässige Schaltergebnisse zu gewährleisten, erfolgt die Ansteuerung vorteilhafterweise derart, dass zwar eine Schaltung im Präzessionsmodus erfolgt, die aber nicht notwendig ballistisch ausgeführt wird. Dazu werden die Pulsdauern bei der Ansteuerung der ersten Steuerleitung einerseits und der zweiten Steuerleitunge andererseits vorteilhafterweise geeignet gewählt. Insbesondere wird die erste Steuerleitung-Ansteuerphase vorteilhafterweise über eine der Präzessionszeit des Materials der Magnetschicht im durch den Ansteuerstrom erzeugten Magnetfeld entsprechender Zeitdauer durchgeführt. Über diese Zeitspanne hinweg wird somit im Bereich der schaltbaren Magnetschicht ein erstes magnetisches Schaltfeld H₁ = H_word erzeugt, das in seiner Richtung um den Verkippungswinkel gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse der schaltbaren Magnetschicht verkippt ist.
Zur Erzeugung des gewünschten zweiten magnetischen Schaltfeldes, das dem Betrag nach gleich dem ersten Schaltfeld H₁ sein soll, aber gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse um den Verkippungswinkel in die Gegenrichtung zum ersten Schaltfeld H₁ verkippt sein soll, wird in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung die zweite Steuerleitung-Ansteuerphase über eine Zeitdauer von der Hälfte der Zeitdauer für die erste Steuerleitung-Ansteuerphase durchgeführt. Vorzugsweise fällt dabei die zweite Steuerleitung-Ansteuerphase zeitlich mit der ersten oder mit der zweiten Hälfte der ersten Steuerleitung-Ansteuerphase zusammen. Durch eine derartige Wahl der Ansteuerparameter wird somit erreicht, dass entweder in der ersten Hälfte der ersten Steuerleitung-Ansteuerphase im Bereich der schaltbaren Magnetschicht das erste Schaltfeld H₁ und in der zweiten Hälfte der ersten Stuerleitung-Ansteuerphase das zweite Ansteuerfeld H₂ erzeugt wird oder umgekehrt. Damit ist je nach gewünschtem Endzustand, in den die jeweilige MRAM-Zelle geschaltet werden soll, eine gezielte Beaufschlagung der schaltbaren Magnetschicht mit einem Schaltfeld von H₂ in der ersten Halbphase der Umschaltung und H₁ in der zweiten Halbphase der Umschaltung (Schaltschema: "H₂" > "H₁") oder von H₁ in der ersten Halbphase und H₂ in der zweiten Halbphase (Schaltschema: "H₁" > "H₂") ermöglicht.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die relativ zur Anisotropieachse der schaltbaren Magnetschicht und/oder relativ zur Orthogonalen zur zweiten Stuerleitung um den Verkippungswinkel verkippt ausgeführte Anordnung der ersten Steuerleitung und eine geeignete Beaufschlagung von der ersten und der zweiten Steuerleitung mit geeigneten Ansteuerströmen während des Schaltvorgangs die gezielte Erzeugung von zwei sequentiell aufeinander folgenden magnetischen Schaltpulsen für die schaltbare Magnetschicht ermöglicht ist, wobei im ersten Schaltpuls ein um den Betrag des Verkippungswinkels gegenüber der Orthogonalen zur Aniostropieachse verkipptes magnetisches Schaltfeld und in der zweiten Phase ein magnetisches Schaltfeld gleichen Betrages, das aber um den Verkippungswinkel in entgegengesetzter Richtung zur Orthogonalen der Anisotropieachse verkippt ist, ermöglicht ist. Gerade durch eine derartige Pulsfolge, deren Dauer zudem noch geeignet im Hinblick auf die für die Präzession der Magnetisierung charakteristische Zeitdauer gewählt sein sollte, ist ein so genanntes nicht-ballistisches Schalten im Präzessionsmodus ermöglicht, bei dem nach einer geeigneten Destabilisierung der Magnetisierung während der ersten Schaltphase in der zweiten Schaltphase die gezielte Überführung der Magnetisierung in den gewünschten Endzustand mit besonders kurzer Zeitkonstante erfolgen kann. Der Schaltprozess wird damit weitaus toleranter gegenüber Variationen in den Eigenschaften des Schichtpakets (Materialtoleranzen, Formgebungstoleranzen) sowie der nötigen Schaltfelder und deren zeitliche Abstimmung.
Ein derartiger Schaltprozess benötigt insbesondere kein vorheriges Ermitteln des Ist-Zustandes oder Bit-Wertes der zu beschreibenden MRAM-Zelle, so dass ein aufeinander folgendes Beschreiben mehrerer MRAM-Zellen ohne Zeitverzögerung erfolgen kann. Weiterhin ist ein derartiger Schaltprozess auch in Gegenwart bipolarer Streufelder, wie sie von den benachbarten MRAM-Zellen aufgebaut werden, ohne Qualitätseinbußen durchführbar, so dass eine besonders hohe Dichte der magnetischen Speicherzellen er reichbar ist. Weiterhin ist für den genannten Schreibprozess nur die Verwendung unipolarer Magnetfelder notwendig, so dass für die erste und zweite Steuerleitung jeweils lediglich eine Stromrichtung erforderlich ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine MRAM-Zelle im Querschnitt,
2 die MRAM-Zelle nach 1 in Aufsicht,
3 ein MRAM-Speicherelement mit einer Mehrzahl von MRAM-Zellen, und
4 eine Anzahl von Diagrammen für den zeitlichen Verlauf von Magnetfeldern.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die MRAM-Zelle 1, die in 1 im Querschnitt dargestellt ist, umfasst ein als Speicherzelle für ein Informationselement oder ein Bit vorgesehenes Mehrschichtpaket 2, das im Kreuzungsbereich zwischen einer ersten Steuerleitung 4 und einer zweiten Steuerleitung 6 angeordnet ist. Die erste Steuerleitung 4 und die zweite Steuerleitung 6 können dabei im Hinblick auf bekannte ähnliche Systeme auch als „Wordline" bzw. als „Bitline" bezeichnet werden. Die erste Steuerleitung 4 und die zweite Steuerleitung 6 sind dabei in der Art herkömmlicher Leiterbahnen auf einem nicht näher dargestellten, in der Darstellung gemäß 1 unterhalb der zweiten Steuerleitung 6 angeordneten Substrat geführt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist somit die erste Steuerleitung 4 oberhalb der zweiten Steuerleitung 6 und somit auch oberhalb des Mehrschichtpakets 2 angeordnet; alternativ könnten aber auch die erste Steuerleitung 4 unterhalb und die zweite Steuerleitung 6 oberhalb des Mehrschichtpakets 2 oder beide Steuerleitungen 4, 6 oberhalb oder unterhalb des Mehrschichtpakts 2 angeordnet sein.
Das Mehrschichtpaket 2 umfasst oberhalb einer auf der zweiten Steuerleitung 6 angeordneten isolierenden Zwischenschicht 7 eine magnetische Referenzschicht 8, die eine durch geeignete technologische Methoden wie beispielsweise Oberflächentexturen, Kopplung an eine weitere magnetische Referenzschicht oder dergleichen räumlich fixierte Magnetisierung in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Ausdehnungsrichtung der zweiten Steuerleitung 6 aufweist. Oberhalb der magnetischen Referenzschicht 8 und von dieser über eine Distanzschicht 10 getrennt ist eine schaltbare Magnetschicht 12 aufgebracht, deren Magnetisierungsrichtung umschaltbar ist. Sie dient entweder als Tunnelbarriere beim Aufbau des Schichtpakets als TMR-MRAM-Zelle oder als leitende, nichtmagnetische Zwischenschicht beim Aufbau des Schichtpakets als GMR-MRAM-Zelle. Die Distanzschicht 10 ist dabei vergleichsweise dünn ausgeführt. Die Referenzschicht 8 und auch die schaltbare Magnetschicht 12 sind jeweils als ferromagnetische Schichten ausgeführt, wobei als Basismaterialien geeignete ferromagnetische Materialien wie beispielsweise Nickel, Eisen, Kobalt oder Legierungen dieser Materialien miteinander oder mit anderen nicht-magnetischen oder magnetischen Materialien verwendet sein können.
Nach oben hin ist das Mehrschichtpaket 2 mittels einer Isolierschicht 14 von der darüber liegenden ersten Steuerleitung 4 getrennt. Wie der Darstellung in 1 weiterhin entnehmbar ist, ist die erste Steuerleitung 4 segmentiert ausgeführt. Sie umfasst dabei im Ausführungsbeispiel drei elektrisch voneinander durch Zwischenschichten 16 isolierte, parallel geschaltete und unabhängig voneinander bestrombare Segmente 18.
Die schaltbare Magnetschicht 12 weist eine Magnetisierung auf, die im Wesentlichen parallel zur Basalebene des Substrats ausgerichtet ist, in dieser Ebene aber verschiedene Ausrichtungen einnehmen kann. Um dabei sicherzustellen, dass die Magnetisierung der schaltbaren Magnetschicht 12 im Wesentlichen zwei Zustände oder Ausrichtungen einnehmen kann, nämlich entweder parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der Referenzschicht 8, ist die schaltbare Magnetschicht 12 mit einer im Wesentlichen uniaxialen oder kubischen Anisotropie ausgeführt derart, dass sie eine leichte Achse der Magnetisierbarkeit in Richtung parallel zur Magnetisierung der Referenzschicht 8 und orthogonal zur Verlaufsrichtung der zweiten Steuerleitung 6 erzeugt. Diese Anisotropie, die durch eine in Richtung der möglichen Magnetisierungszustände verlaufende Anisotropieachse 20 symbolisiert ist, ist im Ausführungsbeispiel durch eine magnetokristalline Anisotropie des Basismaterials der Magnetschicht 12 in Kombination mit einer Formanisotropie des Mehrschichtpakets 2 in der Substratebene erzeugt.
Dazu ist, wie der Darstellung gemäß 2 entnehmbar, das Mehrschichtpaket 2 in seiner flächigen Gestaltung ellipsenförmig ausgeführt, wobei die längere Hauptachse parallel zur Anisotropieachse 20 verläuft. Die Anisotropieachse 20 ist somit senkrecht zur zweiten Steuerleitung 6 ausgerichtet. Zur Verstärkung und Unterstützung der gewünschten Anisotropieeffekte ist zudem als Basismaterial für die Magnetschicht 12 als besonders geeignetes Material Eisen mit kubischer Anisotropie oder auch Permalloy mit uniaxialer Anisotropie vorgesehen. Grundsätzlich können hierbei aber sämtliche bei Raumtemperatur ferromagnetischen Materialien mit kubischer oder uniaxialer magnetokristalliner Anisotropie, wie beispielsweise Eisen-Kobalt (FeCo), Eisen-Platin (Feet), kubisch – flächenzentriertes Kobalt (fee-Co) oder hexasonales Kobalt in besonders günstiger Weise zum Einsatz kommen.
Die MRAM-Zelle 1 ist für ein besonders stabiles und zuverlässiges Umschalten mit besonders kurz gehaltenen Umschaltzeiten im Bereich von weniger als einer Nanosekunde ausgelegt. Dazu ist für die MRAM-Zelle 1 ein Verfahren zum Einspeichern von Informationen oder zum Umschalten der Magnetisierung im nicht – balistischen Präzessionsmodus vorgesehen. Um dies auf vergleichsweise einfache Weise zu ermöglichen, ist die erste Steuerleitung 4 um einen Verkippungswinkel β verkippt gegenüber der Anisotropieachse 20 geführt. Dadurch ist die erste Steuerleitung 4 auch um den Verkippungswinkel β zur Normalen der zweiten Steuerleitung 6 verkippt geführt.
Bei der Beaufschlagung der ersten Steuerleitung 4 mit einer geeignet gewählten ersten Steuerleitung – Ansteuerstrom wird im Bereich des Mehrschichtpakets 2 ein magnetisches Schaltfeld H₁ erzeugt, das aufgrund der verkippten Anordnung der ersten Steuerleitung 4 seinerseits um den Verkippungswinkel β verkippt zur zweiten Steuerleitung 6 und somit zur Orthogonalen zur Anisotropieachse 20 ausgerichtet ist. Als weiterer Bestandteil für einen Schaltvorgang ist zudem noch die geeignete Beaufschlagung der zweiten Steuerleitung 6 mit einer zweiten Steuerleitung-Ansteuerstrom während einer gesonderten Phase des Schaltvorgangs vorgesehen. Die Ansteuerung der zweiten Steuerleitung 6 soll dabei derart erfolgen, dass in der Phase, in der sowohl die erste Steuerleitung – Ansteuerstrom als auch die zweiten Steureleitung-Ansteuerstrom aktiv geschaltet sind, im Bereich des Mehrschichtpakets 2 ein zweites magnetisches Schaltfeld H₂ anliegt, das vom Betrag her etwa gleich groß wie das erste magnetische Schaltfeld H₁ ist, das aber gegenüber der zweiten Steuerleitung 6 um den Verkippungswinkel β in die andere Richtung verkippt ist. Wie dabei der durch die Pfeile repräsentierten vektoriellen Darstellung in 2 entnehmbar ist, wird dazu zusätzlich zu dem über die erste Steuerleitung-Ansteuer strom erzeugten ersten magnetischen Schaltfeld H₁ ein Bitstrom – Magnetfeld H_BIT mit einem Betrag von H_BIT = 2 × H₁ × sinβ erzeugt, so dass sich das zweite magnetische Schaltfeld H₂ durch Addition des ersten magnetischen Schaltfelds H₁ mit dem Bitstrom – Magnetfeld H_BIT ergibt. Hierzu wird bedarfsweise zusätzlich zur Beaufschlagung der ersten Steuerleitung 4 mit der ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom die zweite Steuerleitung 6 mit einer zweiten Steuerleitung-Ansteuerstrom beaufschlagt, dessen Betrag annähernd gleich dem doppelten Produkt aus dem Betrag der ersten Steuerleitung-Ansteuerstroms und dem sinus des Verkippungswinkels β gewählt ist.
Im Ergebnis sind bei einer derartigen Anordnung durch geeignete Beaufschlagung der ersten Steuerleitung 4 und der zweiten Steuerleitung 6 mit den genannten Ansteuerströmen zwei Schaltfelder H₁, H₂ im Bereich des Mehrschichtpakets 2 erzeugbar, deren Betrag jeweils gleich groß und ausreichend hoch ist, um eine Umschaltung der Magnetisierung der schaltbaren Magnetschicht 12 zu bewirken. Aufgrund der Verkippung der ersten Steuerleitung 4 weisen diese Schaltmagnetfelder H₁, H₂ jeweils auch eine gewissen Feldkomponente in Richtung parallel zur Anisotropieachse 20 und somit zur magnetisch leichten Achse der schaltbaren Magnetschicht 12 auf, so dass eine gezielte Umschaltung der Magnetisierung erreicht werden kann. Durch geeignete Wahl einer Pulsfolge, bei der in einem erstem Schaltpuls eines der Schaltfelder H₁, H₂ und in einem nachfolgenden Schaltpuls das jeweils andere Schaltfeld H₂ bzw. H₁ erzeugt wird, kann dabei in der ersten Schaltphase die bereits existierende Magnetisierung der schaltbaren Magnetschicht 12 destabilisiert werden, wobei in der zweiten Schaltphase aus dem instabilen Zustand heraus ein gezieltes Umschalten in die gewünschte Magnetisierungsrichtung erfolgt. Auf diese Weise ist durch die verkippte Anordnung der ersten Steuerleitung 4 insbesondere in Kombination mit der geeigneten Beaufschlagung der ersten Steuerleitung 4 und der zweiten Steuerleitung 6 mit geeigneten Ansteuerströmen ein sicheres und zuverlässiges Schalten der MRAM-Zelle 1 möglich, ohne dass zuvor ein Auslesen des Magnetisierungszustands der schaltbaren Magnetschicht 12 (sogenanntes „Pre-read") erforderlich wäre.
Für eine zuverlässige Umsetzung des beabsichtigten Schaltprozesses sollte der Verkippungswinkel β je nach ferromagnetischem Material und Art des Schichtpakts einen geeigneten Wert von bis zu 45° einnehmen. Wie umfangreiche Ermittlungen ergeben haben, ist ein besonders günstiges, insbesondere ein besonders stabiles und zuverlässiges, Schaltverhalten erreichbar, indem der Verkippungswinkel β in einem Bereich zwischen 3° und 35°, besonders vorzugsweise in einen Bereich von mindestens 7,5° und/oder bis zu 20°, gewählt ist. Dementsprechend ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 als Verkippungswinkel β ein Winkel von etwa 19° gewählt.
Wie in 3 gezeigt ist, ist in einem MRAM-Speicherelement 30 vorzugsweise eine Mehrzahl von MRAM-Zellen 1 der genannten Art auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Die MRAM-Zellen 1 sind dabei jeweils an Kreuzungspunkten einer ersten Steuerleitung 4 und einer zweiten Steuerleitung 6 angeordnet, von denen jeweils eine Mehrzahl in der Art eines Gitters auf dem Substrat aufgebracht ist. Durch geeignete Verschaltung ist die erste Steuerleitung 4 dabei segmentweise ausgeführt, wobei durch eine Anzahl von Querverbindungs-Leitungen 32 eine geeignete elektrische Verschaltung parallel geschalteter Segmente 18 der jeweiligen ersten Steuerleitung 4 gewährleistet ist. Mit einer derartigen Anordnung ist es ermöglicht, den zur Erzeugung des Schaltfeldes H₁ benötigten ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom der jeweils parallel geschalteten Segment verteilt, also beispielsweise über drei oder zwei parallel geschaltete erste Steuerleitungen-Segmente, der jeweiligen MRAM-Zelle 1 zu zuführen. Pro aktivierter Leitung ist dabei lediglich ein Bruchteil des insgesamt benötigten Ansteuerstroms zu führen, so dass die benötigten Stromstärken auf besonders einfache Weise erreicht werden können.
In 4 ist eine Anzahl von Diagrammen dargestellt, von denen jedes den zeitlichen Verlauf eines magnetischen Feldes während eines möglichen Schaltvorgangs zeigt. In 4a ist dabei für einen typischen Schaltvorgang erkennbar, dass zum Startzeitpunkt (t = 0) des Schaltvorgangs das erste magnetische Schaltfeld H₁ durch Beaufschlagung der ersten Steuerleitung 4 mit einem geeignet gewählten ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom auf einen konstanten Wert eingestellt und für einen gewissen Zeitraum aufrecht erhalten wird. Diese erste Steuerleitung-Ansteuerphase erstreckt sind über eine an die Präzessionszeit des Materials der Magnetschicht 12 im Schaltfeld H₁ angepaßte Gesamtzeitdauer von T. Wie in 4b erkennbar ist, wird zusätzlich dazu ab dem Zeitpunkt T/2 über eine Zeitdauer von der Hälfte der Zeitdauer für die erste Steuerleitung-Ansteuerphase, also bis zum Zeitpunkt T, eine zweite Steuerleitung-Ansteuerphase durchgeführt. Dabei wird über eine geeignete Beaufschlagung der zweiten Steuerleitung 6 mit einem geeignet gewählten Ansteuerstrom ein zusätzliches Magnetfeld in Höhe von H_BIT = 2 × H₁ × sinβ erzeugt, das dem durch die erste Steuerleitung erzeugten Schaltfeld H₁ überlagert wird. Im dargestellten Fall wird somit an die schaltbare Magnetschicht 12 in einer ersten Schaltpulsphase das magnetische Schaltfeld H₁ angelegt, wohingegen in einer zweiten Schalt pulsphase, nämlich für den Zeitraum von T/2 bis T, das zweite magnetische Schaltfeld H₂ erzeugt wird. Analog kann selbstverständlich auch in der ersten Schaltpulsphase das zweite magnetische Schaltfeld H₂ und in der zweiten Schaltpulsphase das erste magnetische Schaltfeld H₁ erzeugt werden, wobei die Sequenz der Schaltpulse abhängig vom gewünschten Endzustand der Magnetisierung in der MRAM-Zelle 1 geeignet gewählt wird. Ein exaktes Einhalten dieser Zeitdauern ist jedoch aufgrund der inhärenten Stabilität des nicht-ballistischen Schaltprozesses nicht notwendig.

1: MRAM-Zelle
2: Mehrschichtpaket
4, 6: Steuerleitung
8: Referenzschicht
10: Distanzschicht
12: Magnetschicht
14: Isolierschicht
16: Zwischenschicht
18: Segment
20: Anisotropieachse
30: MRAM-Speicherelement
32: Querverbindungsleitungen
β: Verkippungswinkel

Claims

MRAM-Zelle (1) mit einer auf einem Substrat geführten ersten Steuerleitung (4) und einer auf dem Substrat geführten zweiten Steuerleitung (6), in deren Kreuzungsbereich ein Mehrschichtpaket (2) angeordnet ist, das mindestens eine magnetische Referenzschicht (8) und eine eine Anisotropieachse (20) aufweisende schaltbare Magnetschicht (12) umfasst, wobei die Anisotropieachse (20) annähernd senkrecht zur zweiten Steuerleitung (6) ausgerichtet ist, und wobei die erste Steuerleitung (4) gegenüber der Anisotropieachse (20) um einen Verkippungswinkel (β) verkippt geführt ist.
MRAM-Zelle (1) nach Anspruch 1, bei der der Verkippungswinkel (β) zwischen 0,5° und 45°, vorzugsweise zwischen 3° und 35°, gewählt ist.
MRAM-Zelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, deren erste Steuerleitung (4) aus einer Mehrzahl von elektrisch parallel geschalteten, unabhängigen voneinander bestrombaren Segmenten (18), vorzugsweise aus drei Segmenten (18), gebildet ist.
MRAM-Zelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Anisotropieachse (20) der schaltbaren Magnetschicht (12) durch die Kristallstruktur des verwendeten magnetischen Materials und/oder durch die laterale Formgebung des Mehrschichtpakets (2) und/oder durch eine Vorstrukturierung des Substrats gegeben ist.
MRAM-Zelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, deren schaltbare Magnetschicht (12) als Basismaterial ein bei Raumtemperatur ferromagnetisches Material mit kubischer oder uniaxialer Anisotropie umfasst.
MRAM-Speichersystem mit einem MRAM-Speicherelement (30), bei dem auf einem gemeinsamen Substrat eine Anzahl von MRAM-Zellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 angeordnet ist, und mit einer Ansteuerelektronik, über die die erste Steuerlei tung (4) der oder jeder MRAM-Zelle (1) mit einem ersten Ansteuerstrom und die zweite Steuerleitung (6) der oder jeder MRAM-Zelle (1) mit einem zweiten Ansteuerstrom in Höhe des doppelten Produkts aus dem ersten Ansteuerstrom und dem Sinus des Verkippungswinkels (β) beaufschlagbar ist.
Verfahren zum Einspeichern einer Information in eine MRAM-Zelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in einer ersten Ansteuerphase die erste Steuerleitung (4) mit einem ersten Ansteuerstrom und in einer zweiten Ansteuerphase die zweite Steuerleitung (6) mit einem zweiten Ansteuerstrom beaufschlagt werden, wobei der Betrag des zweiten Ansteuerstroms zumindest näherungsweise gleich dem doppelten Produkt aus dem Betrag der ersten Ansteuerstroms und dem Sinus des Verkippungswinkels (β) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die erste Ansteuerphase mindestens über eine etwa der Präzessionszeit (T) von des Materials der Magnetschicht (12) im durch den Ansteuerstrom erzeugten Magnetfeld entsprechende Zeitdauer durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die zweite Ansteuerphase über eine Zeitdauer von der Hälfte der Zeitdauer für die erste Ansteuerphase durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die zweite Ansteuerphase zeitlich mit der ersten oder mit der zweiten Hälfte der ersten Ansteuerphase zusammenfällt.