DE102008045542A1

DE102008045542A1 - Integrierter Schaltkreis, Zellenanordnung, Verfahren zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises, Speichermodul

Info

Publication number: DE102008045542A1
Application number: DE102008045542A
Authority: DE
Inventors: Rok Dr. Dittrich; Ulrich Dr. Klostermann
Original assignee: Qimonda AG; Altis Semiconductor SNC
Current assignee: Infineon Technologies AG; Altis Semiconductor SNC
Priority date: 2007-09-17
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2009-04-02
Also published as: US20090073749A1; US7532506B2

Abstract

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein integrierter Schaltkreis mit einer Zellenanordnung bereitgestellt. Die Zellenanordnung weist mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle, eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt, und eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt, auf. Die Zellenanordnung weist ferner eine Steuerung auf, die eingerichtet ist zum Anlegen des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms, derart, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung des zweiten Leitungsstroms, bereitgestellt wird, derart, dass die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als die Zeit, die dafür erforderlich ist, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.

Description

Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen einen integrierten Schaltkreis, eine Zellenanordnung, ein Verfahren zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises, sowie ein Speichermodul.
Magnetische Vielfachzugriffsspeicher (Magnetic Random Access Memory, MRAM) sind eine neue Klasse nicht-flüchtiger Speicher, welche die elektromagnetischen Eigenschaften von magnetoresistiven Materialien ausnützen zum Einstellen und Erhalten von Information, die in individuellen magnetischen Speicherzellen gespeichert sind. Die individuelle magnetische Speicherzelle wird auch als magnetischer Tunnelübergang (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) bezeichnet. Genauer wird digitale Information in einer magnetischen Speicherzelle als ein Bit gespeichert, wobei der Zustand der magnetischen Speicherzelle angezeigt wird durch die Richtung der Magnetisierung innerhalb einer magnetischen Schicht der Speicherzelle relativ zu einer anderen magnetischen Schicht der Speicherzelle. Eine typische magnetische Speicherzelle kann zwei magnetische Schichten aufweisen, zwischen welchen eine Tunnelbarrierenschicht angeordnet ist. Eine magnetische Schicht weist eine feste magnetische Orientierung auf, welche auch bezeichnet wird als die festgelegte magnetische Schicht ("pinned" magnetische Schicht) oder als die Referenzschicht. Die Referenzschicht dient als eine Referenz für eine andere magnetische Schicht innerhalb der Zelle. Die andere magnetische Schicht, auch bezeichnet als freie magnetische Schicht oder Speicherschicht, kann eingerichtet sein zum Verändern ihrer magnetischen Orientierung relativ zu der Referenzschicht derart, dass Logikzustände eines Bits gespeichert werden können innerhalb des magnetischen Tunnelübergangs.
Typischerweise weist eine MRAM-Einrichtung eine Mehrzahl von leitfähigen Leitungen auf, welche verwendet werden zum Erzeugen von Magnetfeldern. Ein Array von Speicherzellen kann konstruiert werden, indem die leitfähigen Leitungen in einer Matrixstruktur mit Zeilen und Spalten angeordnet werden, wobei die magnetischen Speicherzellen an den Kreuzungsstellen der leitfähigen Leitungen angeordnet sein können. Die leitfähigen Leitungen werden auch bezeichnet als Bitleitungen (BL) und Wortleitungen (WL). Herkömmlicherweise erzeugt der Strom, welcher durch die Bitleitungen und die Wortleitungen fließt, ein induziertes Magnetfeld, welches verwendet wird zum Schalten der Magnetisierung der magnetischen Speicherzellen. Dieser Modus des Schaltens ist bekannt als Stoner-Wohlfarth-Schalten. Dies gilt auch für so genannte Toggle-MRAM-Einrichtungen.
Ein relativ neuer Modus des Schaltens wird bezeichnet als Spin-Moment-Übertragung oder Spin-Übertragungs-Schalten und ist vorteilhaft für hochdichte MRAM-Einrichtungen. Im Allgemeinen tritt Spin-Übertragungs-Schalten auf, wenn ein Strom, welcher durch eine magnetische Schicht des MTJ fließt, Spin-polarisiert wird, und ein Spin-Torque (im Folgenden auch bezeichnet als Spin-Moment) auf die Speicherschicht des MTJ bewirkt. Wenn ein ausreichendes Spin-Moment angewendet wird auf die Speicherschicht, pumpt das "Moment" ausreichend Energie in die Speicherschicht, so dass ihr magnetisches Moment verändert, beispielsweise rotiert, wird, womit die Magnetisierung der Speicherschicht geschaltet wird.
Der zum Erzeugen des Magnetfeldes erforderliche große Schreibstrom macht Stoner-Wohlfarth-Schalten schwierig einsetzbar für hochdichte MRAM-Einrichtungen.
Spin-Übertragungs-Schalten, obwohl es die Menge von zum Schreiben des MTJ benötigten Stroms durch Verwendung von Spin-Moment reduziert, benötigt noch immer einen hohen kritischen Schreibstrom. Der hohe Schreibstrom wird die Skalierung von MTJs begrenzen, da die Größe des Transistors, welcher den Strom liefert, größer sein muss. Andererseits würde der hohe Schreibstrom resultieren in einem reduzierten Schreibfenster, da die Schreibspannung nahe der Barrieren-Durchbruchsspannung liegt. Als ein Ergebnis würde die Zuverlässigkeit und die Zykelhaltbarkeit (Endurance) von MTJs reduziert. Daher besteht ein Bedarf zum Reduzieren des Schreibstroms, der zum Schalten von MTJs erforderlich ist.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein integrierter Schaltkreis mit einer Zellenanordnung bereitgestellt. Die Zellenanordnung kann mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle aufweisen, eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt, eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt, und eine Steuerung, welche eingerichtet ist zum Steuern des Anlegens des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms derart, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeld, bereitgestellt durch eine Veränderung des zweiten Leitungsstroms, bereitgestellt wird derart, dass die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als die Zeit, die dazu benötigt wird, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.
Die erste Leitung kann eine Bitleitung sein und der erste Leitungsstrom kann der Bitleitungsstrom sein.
Der Bitleitungsstrom kann in einem Bereich sein von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA. Ferner kann der Bitleitungsstrom in einem Bereich sein von ungefähr 3 mA bis ungefähr 60 mA. Weiterhin kann der Bitleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 10 mA bis ungefähr 50 mA.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste Leitung eine Tunnelübergangsleitung und der erste Leitungsstrom ist der Tunnelübergangs-Leitungsstrom, wobei der Tunnelübergangs-Leitungsstrom in einem Bereich liegen kann von ungefähr 20 μA bis ungefähr 5 mA.
Ferner ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Tunnelübergangs-Leitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 50 μA bis ungefähr 1 mA. Der Tunnelübergangs-Strom kann ferner in einem Bereich sein von ungefähr 100 μA bis ungefähr 500 μA.
Die Übergangszeit des Magnetfeldes kann kürzer sein als ungefähr 10 ns, beispielsweise kürzer als ungefähr 1 ns. Beispielsweise kann die Übergangszeit des Magnetfeldes in einem Bereich sein von ungefähr 10 ps bis ungefähr 200 ps.
Die zweite Leitung kann eine Wortleitung sein und der zweite Leitungsstrom kann der Wortleitungsstrom sein.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Wortleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 3 mA bis ungefähr 60 mA, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 mA bis ungefähr 50 mA.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Stoner-Wohlfarth-Typ.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Spin-Moment-Typ.
In noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Zellenanordnung bereitgestellt. Die Zellenanordnung kann mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle aufweisen, eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt, eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt, sowie eine Steuerung, welche eingerichtet ist zum Steuern des Anlegens des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms derart, dass, wenn der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung des zweiten Leitungsstroms, bereitgestellt wird derart, dass die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als die Zeit, die dafür erforderlich ist, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.
In noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein integrierter Schaltkreis mit einer Zellenanordnung bereitgestellt. Die Zellenanordnung kann mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle aufweisen, eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt, eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt, sowie eine Steuerung, die eingerichtet ist zum Steuern des Anlegens des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms derart, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes, bereitgestellt mittels einer Veränderung des zweiten Leitungsstroms, bereitgestellt wird, wobei das Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel bezüglich der Ausrichtung der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle aufweist, und wobei der Übergang des Magnetfeldes ausreichend schnell ist, so dass das Schaltfeld der magnetoresistiven Speicherzelle reduziert wird.
Die erste Leitung kann eine Bitleitung sein und der erste Leitungsstrom kann der Bitleitungsstrom sein.
Der Bitleitungsstrom kann in einem Bereich sein von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste Leitung eine Tunnelübergangsleitung und der erste Leitungsstrom ist der Tunnelübergangs-Leitungsstrom.
In diesem Fall kann der Tunnelübergangs-Leitungsstrom in einem Bereich sein von ungefähr 20 μA bis ungefähr 5 mA.
Die Zeit des Übergangs des Magnetfeldes kann kürzer sein als ungefähr 10 ns. Die Zeit des Übergangs des Magnetfeldes kann kürzer sein als ungefähr 1 ns.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zweite Leitung eine Wortleitung und der zweite Leitungsstrom ist der Wortleitungsstrom.
Der Wortleitungsstrom kann in einem Bereich sein von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA.
Ferner kann die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Stoner-Wohlfarth-Typ sein.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Spin-Moment-Typ sein.
In noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises mit einer Zellenanordnung bereitgestellt. Das Verfahren kann aufweisen ein Anlegen eines ersten Stroms an mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle, und ein Anlegen, zumindest teilweise zur selben Zeit, eines Übergangs eines Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung eines zweiten Stroms, derart, dass die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als die Zeit, die dazu erforderlich ist, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.
Der erste Strom kann ein Bitleitungsstrom sein.
Ferner kann der Bitleitungsstrom in einem Bereich sein von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 3 mA bis ungefähr 60 mA, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 mA bis ungefähr 50 mA.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste Strom der Tunnelübergangs-Strom, wobei der Tunnelübergangs-Strom in einem Bereich sein kann von ungefähr 20 μA bis ungefähr 5 mA, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 50 μA bis ungefähr 1 mA, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 100 μA bis ungefähr 500 μA.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer als ungefähr 10 ns. Die Übergangszeit des Magnetfeldes kann kürzer sein als ungefähr 1 ns. Die Übergangszeit des Magnetfeldes kann ferner in einem Bereich liegen von ungefähr 10 ps bis ungefähr 200 ps.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der zweite Strom ein Wortleitungsstrom, wobei der Wortleitungsstrom in einem Bereich sein kann von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA.
Ferner kann der Wortleitungsstrom in einem Bereich sein von ungefähr 3 mA bis ungefähr 60 mA. Weiterhin kann der Wortleitungsstrom in einem Bereich sein von ungefähr 10 mA bis ungefähr 50 mA.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine magnetoresistive Speicherzelle vom Stoner-Wohlfarth-Typ verwendet werden als die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine magnetoresistive Speicherzelle vom Spin-Moment-Typ verwendet werden als die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle.
In noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Speichermodul bereitgestellt, welches eine Mehrzahl von integrierten Schaltkreisen aufweisen kann, wobei mindestens ein integrierter Schaltkreis der Mehrzahl von integrierten Schaltkreisen eine Zellenanordnung aufweist. Die Zellenanordnung kann mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle aufweisen, eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt, eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt, und eine Steuerung, welche eingerichtet ist zum Anlegen des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms derart, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung des zweiten Leitungsstroms, bereitgestellt wird derart, dass die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als die Zeit, die dafür benötigt wird, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einem veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.
Das Speichermodul kann ein stapelbares Speichermodul sein, in dem mindestens einige der integrierten Schaltkreise auf oder übereinander gestapelt angeordnet sind.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen verwendet zum Bezeichnen von gleichen oder ähnlichen Elementen über alle Ansichten hinweg. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, es wurde stattdessen Wert darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 die Magnetfelder, welche an eine magnetoresistive Speicherzelle angelegt werden;
2 einen integrierten Schaltkreis gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3A ein Speicherzellenarray gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3B eine magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ein Speicherzellenarray gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine magnetoresistive Speicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine Draufsicht einer Zellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9A und 9B das Anlegen eines Schreibstroms in einem Ausführungsbeispiel (9A) bzw. in einem anderen Ausführungsbeispiel (9B) der Erfindung;
10 die schnelle Änderung von Strom und Magnetisierung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
11A und 11B ein Speichermodul (11A) und ein stapelbares Speichermodul (11B) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Ein externer Magnetfeldpuls erreicht ein Schalten der magnetoresistiven Speicherzelle. Ferner resultiert ein Anlegen eines schnell bzw. stark ansteigenden Feldpulses senkrecht zu der Magnetisierung der Speicherschicht des MTJ, d. h. entlang der Richtung in der Ebene der magnetischen harten Achse, in einem energie-effizienten Schalten des MTJ. Beispielsweise sind in 1 ein Feldpuls H_Puls 102 senkrecht zu der Magnetisierung des MTJ und ein statisches Feld H_stat 104 parallel zu der Magnetisierung des MTJ in einem Diagramm 100 dargestellt. Mittels Steuerns der Pulsdauer 106 wird ein gewünschtes Schalten der Magnetisierung erreicht von einer Ursprungsmagnetisierung M_i 108 zu einer endgültigen Magnetisierung M_f 110.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erreicht eine Reduktion des zum Schalten der Magnetisierung von magnetoresistiven Speicherzellen erforderlichen Schreibstroms, indem ein sehr schneller (ultra-schneller) Übergang eines Magnetfeldes bereitgestellt wird. Mit der Übergangszeit, die kleiner ist als die typische magnetische Relaxationszeit (<~ die gyromagnetische Frequenz), resultiert die Veränderung des Magnetfeldes in einem fast unmittelbaren Verändern der Energie-Landschaft der Speicherzelle.
Die Magnetisierung erfolgt in einem Bereich von erhöhter Energie, da die neuen lokalen Minimum-Konfigurationen verändert worden sind. Somit wird der Speicherzelle ausreichend Energie zugeführt, was in einem niedrigeren Schaltfeld resultiert als für das herkömmliche quasistatische Schalten. Daher kann die Magnetisierung der Speicherzelle geschaltet werden unter Verwendung eines kleineren Schreibstroms verglichen mit der Situation, bei der das Magnetfeld statisch angelegt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen integrierten Schaltkreis mit einer Zellenanordnung. Die Zellenanordnung weist mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle auf, eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt, und eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt. Die Zellenanordnung weist ferner eine Steuerung auf, welche das Anlegen des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms steuert derart, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes bereitgestellt wird mittels einer Veränderung des zweiten Leitungsstroms derart, dass die Übergangszeit des Magnetfeldes kleiner ist als die Zeit, die für die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle zum Relaxieren in einen veränderten Gleichgewichtszustand erforderlich ist.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Zeit, welche erforderlich ist, damit die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxieren kann, in der Größenordnung einiger Perioden der dominierenden Eigenmode-Frequenzen der magnetoresistiven Speicherzelle sein. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Zeit, welche erforderlich ist, damit die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxieren kann, in einem Zeitbereich liegen, der einem Frequenzbereich entspricht in einer Größenordnung von einem GHz oder mehreren GHz.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die magnetoresistive Speicherzelle eine magnetische Tunnelübergangs(MTJ)-Zelle mit einer magnetischen Speicherschicht, einer Tunnelbarrierenschicht und einer magnetischen Referenzschicht. Die magnetische Speicherschicht und die magnetische Referenzschicht können hergestellt sein aus magnetischen Materialien, wobei Beispiele aufweisen, jedoch nicht beschränkt sind auf, Nickel, Eisen, Kobalt, oder Kombinationen davon wie beispielsweise Nickel-Eisen, Nickel-Eisen-Kobalt, Kobalt-Eisen, Kobalt-Zirkonium-Niobium, Kobalt-Eisen-Bor, Eisen-Platin, Kobalt-Platin, sowie Legierungen dieser Materialien. Andere magnetische Materialien, welche in der MRAM-Fertigungsindustrie verwendet werden, können ebenso für die magnetische Speicherschicht und die magnetische Referenzschicht verwendet werden. Es ist anzumerken, dass die magnetische Speicherschicht und die magnetische Referenzschicht jeweils eine Mehrzahl von Materialschichten enthalten können. Die Tunnelbarrierenschicht kann hergestellt sein aus dielektrischen Materialien wie beispielsweise Siliziumoxid (SiO₂), Magnesiumoxid (MgO), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN_x) und Tantaloxid (TaO_x) oder sie kann hergestellt sein aus nicht-magnetischen Materialien wie beispielsweise Kupfer, Gold und Silber.
In einem Ausführungsbeispiel können die erste Leitung und die zweite Leitung senkrecht zueinander angeordnet sein, wobei die magnetoresistive Speicherzelle an der Kreuzungsstelle der ersten Leitung und der zweiten Leitung angeordnet sein kann.
Die erste Leitung kann eine Bitleitung sein und demgemäß kann der erste Leitungsstrom der Bitleitungsstrom sein, welcher von der Bitleitung bereitgestellt wird.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der bereitgestellte Bitleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Bitleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 3 mA bis ungefähr 60 mA liegen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Bitleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 10 mA bis ungefähr 50 mA liegen.
Der Bitleitungsstrom wird beispielsweise verwendet zum Erzeugen eines Magnetfeldes für die magnetoresistive Speicherzelle.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste Leitung eine Tunnelübergangs-Leitung und der erste Leitungsstrom ist der Tunnelübergangs-Leitungsstrom. Beispielsweise ist der Tunnelübergangs-Leitungsstrom der Strom, welcher durch den magnetischen Tunnelübergang fließt in der Situation eines Spin-Übergangs-Schaltens. Der Tunnelübergangs-Leitungsstrom kann vorgesehen sein in einem Bereich von ungefähr 1 μA bis ungefähr 10 mA, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 20 μA bis ungefähr 5 mA. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Tunnelübergangs-Leitungsstrom vorgesehen in einem Bereich von ungefähr 50 μA bis ungefähr 1 mA. Der Tunnelübergangs-Leitungsstrom kann ferner vorgesehen sein in einem Bereich von ungefähr 100 μA bis ungefähr 500 μA.
Die in der Zellenanordnung vorgesehene Steuerung kann einen Mikrocontroller aufweisen, eine Mehrzahl von Steuerungen oder sie kann aufweisen eine Mehrzahl von Logikgattern, welche zusammenwirken zum Steuern des Anlegens des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms. Insbesondere ist die Steuerung eingerichtet zum Bereitstellen eines Übergangs eines Magnetfeldes mittels Steuerns der Veränderungen des zweiten Leitungsstroms, wenn der erste Leitungsstrom aktiv ist.
Die Übergangszeit (anders ausgedrückt, die Übergangszeitdauer) des Magnetfeldes, welches bereitgestellt wird durch die Veränderung des zweiten Leitungsstroms, ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kürzer als 10 ns. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer als ungefähr 1 ns. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Übergangszeit des Magnetfeldes in einem Bereich von ungefähr 10 ps bis ungefähr 200 ps. Die Übergangszeit des Magnetfeldes ist kürzer als die Zeit (anders ausgedrückt, die Zeitdauer), die erforderlich ist zum Verändern der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle, so dass das Schaltfeld der magnetoresistiven Speicherzelle reduziert wird. Somit werden ein geringerer erster Leitungsstrom und ein geringerer zweiter Leitungsstrom benötigt zum Verändern der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle verglichen mit dem herkömmlichen quasi-statischen Schaltmodus.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zweite Leitung eine Wortleitung und der zweite Leitungsstrom ist ein Wortleitungsstrom. Die Wortleitung ist in einem Ausführungsbeispiel verbunden mit der magnetoresistiven Speicherzelle. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Wortleitung gekoppelt mit der magnetoresistiven Speicherzelle ohne direkten Kontakt, beispielsweise ohne direkten ohmschen Kontakt. Der Wortleitungsstrom kann vorgesehen sein in einem Bereich von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Wortleitungsstrom vorgesehen sein in einem anderen Bereich. Beispielsweise kann der Wortleitungsstrom vorgesehen sein in einem Bereich von ungefähr 3 mA bis ungefähr 60 mA. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Wortleitungsstrom vorgesehen sein in einem Bereich von ungefähr 10 mA bis ungefähr 50 mA.
Die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle in der Zellenanordnung kann ausgewählt sein aus einer Mehrzahl von Arten von magnetoresistiven Speicherzellen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die magnetoresistive Speicherzelle ausgewählt als eine magnetoresistive Speicherzelle vom Stoner-Wohlfarth-Typ. Die Orientierung der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle kann geschaltet werden unter Verwendung zweier orthogonaler Magnetfelder, welche bei der magnetoresistiven Speicherzelle erzeugt werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle ausgewählt als eine magnetoresistive Speicherzelle vom Spin-Moment-Typ. Demgemäß kann die Orientierung der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle geschaltet werden unter Verwendung eines Spin-polarisierten Stroms, welcher durch die magnetoresistive Speicherzelle fließt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Zellenanordnung bereitgestellt. Die Zellenanordnung weist mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle auf, eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt, und eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt. Die Zellenanordnung weist ferner eine Steuerung auf, die eingerichtet ist zum Steuern des Anlegens des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms derart, dass, während der erste Leitungsstrom (und damit ein von diesem erzeugtes Magnetfeld) aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes, mittels einer Veränderung des zweiten Leitungsstroms, bereitgestellt wird derart, dass die Übergangszeit des Magnetfeldes kleiner ist als die Zeit, die benötigt wird, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen integrierten Schaltkreis mit einer Zellenanordnung. Die Zellenanordnung weist mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle auf, eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt, eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt, und eine Steuerung, die eingerichtet ist zum Steuern des Anlegens des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms. Die Steuerung ist derart eingerichtet, dass sie das Anlegen des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms derart steuert, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes, bereitgestellt mittels einer Veränderung des zweiten Leitungsstroms, bereitgestellt wird. Das Magnetfeld wird derart bereitgestellt, dass es einen Nicht-Null-Winkel bezüglich der Orientierung der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle aufweist. Ferner ist der Übergang des Magnetfeldes ausreichend schnell, so dass das Schaltfeld der magnetoresistiven Speicherzelle reduziert wird.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das von dem zweiten Leitungsstrom bereitgestellte Magnetfeld einen rechten Winkel (90°) bezüglich der Ausrichtung der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle auf. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Magnetfeld derart bereitgestellt werden, dass es einen anderen Winkel bezüglich der Ausrichtung der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle aufweist, beispielsweise 46°, 60°, etc.
Die erste Leitung kann eine Bitleitung sein, und der erste Leitungsstrom kann ein Bitleitungsstrom sein. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Bitleitungsstrom vorgesehen in einem Bereich von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA. Die erste Leitung kann auch eine Tunnelübergangs- Leitung sein. Demgemäß kann der erste Leitungsstrom der Tunnelübergangs-Leitungsstrom sein, welcher durch den magnetischen Tunnelübergang fließt. Der Tunnelübergangs-Leitungsstrom ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen in einem Bereich von ungefähr 20 μA bis ungefähr 5 μA.
Der Übergang des Magnetfeldes wird ausreichend schnell bereitgestellt. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Zeit des Übergangs des Magnetfeldes bzw. des Wechsels des Zustandes des Magnetfeldes kürzer sein als ungefähr 10 ns. Die Steuerung kann eingerichtet sein derart, dass der Übergang des Magnetfeldes sogar noch schneller erfolgt. Beispielsweise kann die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer als ungefähr 1 ns in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sein. Durch einen kurzen bzw. schnellen Übergang des Magnetfeldes wird das Schaltfeld der magnetoresistiven Speicherzelle reduziert, so dass die Magnetisierung geschaltet werden kann unter Verwendung eines kleineren ersten Leitungsstroms und eines kleineren zweiten Leitungsstroms.
Die in der Zellenanordnung enthaltene zweite Leitung kann eine Wortleitung sein, und der zweite Leitungsstrom kann der Wortleitungsstrom sein. Der Wortleitungsstrom ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen in einem geeigneten Bereich. Beispielsweise kann der Wortleitungsstrom vorgesehen sein in einem Bereich von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die in der Zellenanordnung enthaltene mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle einer magnetoresistive Speicherzelle vom Stoner-Wohlfarth-Typ. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Spin-Moment-Typ.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises mit einer Zellenanordnung. Das Verfahren weist auf ein Anlegen eines ersten Stroms an mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle. Das Verfahren weist ferner auf ein Anlegen, zumindest teilweise zur selben Zeit, eines Übergangs eines Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung eines zweiten Stroms derart, dass die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als die Zeit, die benötigt wird dafür, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert. Das Verfahren kann verwendet werden zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der Zellenanordnung, wie sie oben beschrieben worden sind.
Der erste Strom kann ein Bitleitungsstrom sein, bereitgestellt von einer Bitleitung. Der Bitleitungsstrom ist in einem geeigneten Wertebereich, anders ausgedrückt mit einem geeigneten Wert vorgesehen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Bitleitungsstrom vorgesehen in einem Bereich von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Bitleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 3 mA bis ungefähr 60 mA und kann auch in einem Bereich liegen von ungefähr 10 mA bis ungefähr 50 mA.
Der erste Strom kann ein Tunnelübergangs-Strom sein, bereitgestellt von einer Tunnelübergangs-Leitung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Tunnelübergangs-Strom kann vorgesehen sein in einem geeigneten Wertebereich. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Tunnelübergangs-Strom in einem Bereich liegen von ungefähr 20 μA bis ungefähr 5 mA. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Tunnelübergangs-Strom in einem Bereich liegen von ungefähr 50 μA bis ungefähr 1 mA. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Tunnelübergangs-Strom in einem Bereich liegen von ungefähr 100 μA bis ungefähr 500 μA.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die angelegte Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer als die Zeit, die benötigt wird dafür, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die angelegte Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer als ungefähr 10 ns. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer als ungefähr 1 ns. Die Übergangszeit des Magnetfeldes kann auch kürzer vorgesehen sein, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 ps bis ungefähr 200 ps.
Der zweite Strom kann ein Wortleitungsstrom, bereitgestellt von einer Wortleitung. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Wortleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Wortleitungsstrom liegen in einem Bereich von ungefähr 3 mA bis ungefähr 60 mA. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Wortleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 10 mA bis ungefähr 50 mA.
Die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle kann eine magnetoresistive Speicherzelle vom Stoner-Wohlfarth-Typ sein. In noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Spin-Moment-Typ sein. Andere Arten von magnetoresistiven Speicherzellen können ebenfalls als die magnetoresistive Speicherzelle verwendet werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Speichermodul vorgesehen mit einer Mehrzahl von integrierten Schaltkreisen, wobei mindestens ein integrierter Schaltkreis der Mehrzahl von integrierten Schaltkreisen eine Zellenanordnung aufweist. Die Zellenanordnung weist mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle auf, eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt, eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt, sowie eine Steuerung. Die Steuerung ist eingerichtet zum Steuern des Anlegens des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms derart, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang des Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung des zweiten Leitungsstroms, bereitgestellt wird derart, dass die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als die Zeit, die dafür erforderlich ist, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Speichermodul ein stapelbares Speichermodul, in dem mindestens einige der integrierten Schaltkreise auf oder übereinander gestapelt angeordnet sind.
2 zeigt einen integrierten Schaltkreis 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der integrierte Schaltkreis 200 weist unter anderem ein Speicherzellenarray 202 auf, welches eine Mehrzahl von Speicherzellen aufweist, wobei die Speicherzellen in Zeilen und Spalten in einer Matrixform angeordnet sein können, und eine oder eine Mehrzahl von Referenzzellen, welche eingerichtet sind und hergestellt sind in der gleichen Weise wie die Speicherzellen, und welche einen Referenzzustand bereitstellen zum Ermitteln des Speicherzustands der jeweils ausgewählten Speicherzelle des Speicherzellenarrays. Es ist anzumerken, dass die Speicherzellen in dem Speicherzellenarray 202 in anderer Weise als in Matrixform angeordnet sein können, beispielsweise in einer Zickzack-Architektur. Ferner kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Leseschema dafür vorgesehen sein unter Verwendung einer Selbst-Referenzierung.
Ferner weist der integrierte Schaltkreis 200 einen Adressdecoder 204 auf, welcher eine logische Adresse einer auszuwählenden Speicherzelle empfängt, beispielsweise einer zu programmierenden, zu lesenden oder zu löschenden Speicherzelle, und die logische Adresse der Speicherzelle auf die tatsächliche physikalische Adresse der auszuwählenden Speicherzelle innerhalb des Speicherzellenarrays 202 abbildet. Ferner kann der Adressdecoder 202 das Auswählsignal an die Steuerleitungen bereitstellen, an welche die auszuwählende Speicherzelle gekoppelt ist, so dass die gewünschte Speicherzelle innerhalb des Speicherzellenarrays 202 ausgewählt wird.
Ferner ist eine Steuerung 206, beispielsweise ein Mikroprozessor, in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung implementiert als hart-verdrahtete Logik, vorgesehen. Die Steuerung 206 stellt Spannungssignale bereit, um die benötigten Spannungen und Ströme bereitzustellen zum Durchführen der jeweils ausgewählten Operation auf die ausgewählte Speicherzelle innerhalb des Speicherzellenarrays 202. Beispielsweise stellt die Steuerung 206 eine Folge von Spannungen und Strömen für eine ausgewählte Speicherzelle bereit, um beispielsweise die Magnetisierungsrichtung der ausgewählten Speicherzelle zu programmieren.
Ferner ist ein Leseschaltkreis 208 vorgesehen, wobei der Leseschaltkreis 208 in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gebildet wird von einem Leseverstärker oder einer Mehrzahl von Leseverstärkern (beispielsweise einem Stromverstärker oder mehreren Stromverstärkern oder einem Spannungsverstärker oder mehreren Spannungsverstärkern), welcher oder welche verwendet werden zum Lesen des Stroms, welcher durch eine ausgewählte Speicherzelle innerhalb des Speicherzellenarrays 202 fließt, und zum Vergleichen dieses Stroms mit einem Strom, welcher durch eine ausgewählte Referenzzelle fließt, womit ein Differenzstrom bereitgestellt wird, welcher verwendet werden kann zum Ermitteln des Programmierzustands der ausgewählten Speicherzelle. Ferner kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Leseschema vorgesehen sein unter Verwendung einer Selbst-Referenzierung.
Das Speicherzellenarray gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 3A dargestellt. Das Speicherzellenarray 300 weist eine Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherzellen 302 auf, welche in Matrixkonfiguration angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die magnetoresistive Speicherzelle 302 eine Speicherschicht 304, eine Referenzschicht 306, und eine dazwischen angeordnete Tunnelbarrierenschicht 308 auf. Es ist anzumerken, dass die Speicherschicht 304 und die Referenzschicht 306 beide jeweils mehrere Schichten aufweisen können, wenn dies zweckmäßig ist. Zwei Gruppen von leitfähigen Leitungen sind in Zeilen und Spalten derart angeordnet, dass die magnetoresistiven Speicherzellen 302 an der Kreuzungsstelle der zwei Gruppen von leitfähigen Leitungen angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel sind die erste Gruppe von leitfähigen Leitungen Bitleitungen 310, angeordnet neben der Speicherschicht 304 der magnetoresistiven Speicherzellen 302, und die zweite Gruppe von leitfähigen Leitungen sind Wortleitungen 312, angeordnet neben der Referenzschicht 306 der magnetoresistiven Speicherzellen 302. Die Bitleitungen 310 sind senkrecht zu den Wortleitungen 312 angeordnet. Es ist anzumerken, dass die Reihenfolge der Bitleitungen 310 und der Wortleitungen 312 umgekehrt werden kann derart, dass die Bitleitungen 310 neben der Referenzschicht 306 angeordnet sein können und die Wortleitungen 312 neben der Speicherschicht 304 der magnetoresistiven Speicherzellen 302 angeordnet sein können. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine gemeinsame Plattenstruktur vorgesehen sein, in der eine gemeinsame elektrisch leitfähige Platte verwendet wird zum Erzeugen eines Kontakts zu dem Tunnelübergang (oder Lesepfad), womit das Leseschema galvanisch getrennt wird von der Feldprogrammierung.
Im Zusammenhang des Stoner-Wohlfarth-Schaltens erzeugt der Strom, welcher durch die Bitleitungen 310 fließt, und der Strom, welcher durch die Wortleitungen 312 fließt, jeweils ein Magnetfeld, welches in einem induzierten Magnetfeld resultiert zum Schalten der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzellen 302 an den Kreuzungsstellen der Bitleitungen 310 und der Wortleitungen 312. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Strom, welcher durch die Wortleitung 312 fließt, derart bereitgestellt, dass das dadurch erzeugte Magnetfeld sich schnell verändert. Dies ermöglicht es, dass die Magnetisierung der Speicherzelle 312 geschaltet werden mittels eines Magnetfeldes geringerer Intensität, womit die Intensität des Stroms, welcher durch die Bitleitungen 310 und die Wortleitungen 312 fließt, reduziert wird.
Die magnetoresistiven Speicherzellen 302 können unterschiedliche Konfigurationen aufweisen, wie beispielsweise eine rechteckige, kreisförmige oder elliptische Form (im Querschnitt), abhängig von den gewünschten Entwürfen.
3B ist ein Beispiel einer elliptischen magnetoresistiven Speicherzelle.
Die Konfiguration des Speicherzellenarrays kann in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine 1T1MTJ(ein Transistor, ein MTJ)-Architektur 400 sein, wie in 4 dargestellt. In dieser Architektur ist jeder MTJ-Stapel (d. h. jede magnetoresistive Speicherzelle) verbunden mit einem Transistor, wie im Folgenden näher erläutert wird. Die Bitleitungen 402 und die Wortleitungen 404 sind in einer Matrixstruktur mit Zeilen und Spalten angeordnet, wobei die MTJ-Stapel 406 angeordnet sind an den Kreuzungsstellen des jeweiligen Paares von Leitungen 402, 404. Eine dritte Gruppe von leitfähigen Leitungen, d. h. die Steuerleitungen 408, sind derart angeordnet, dass sie parallel liegen zu den Wortleitungen 404 und senkrecht zu den Bitleitungen 402. Die Steuerleitungen 408 sind mit dem Gate des jeweiligen Transistors 410 verbunden, während das Drain des jeweiligen Transistors 410 gekoppelt ist mit dem MTJ-Stapel 406 mittels der leitfähigen Struktur 412 und einer Verbindungsschicht 414. Der Massekontakt 416 des Transistors 410 ist ebenfalls dargestellt. Somit steuern die Steuerleitungen 408 beispielsweise die Auswahl des jeweiligen MTJ-Stapels 406 mittels des jeweiligen Transistors 410.
Die 1T1MTJ-Struktur ist im größeren Detail unter Bezugnahme auf 5 dargestellt, wobei nur ein Transistor und ein MTJ-Stapel in einem 1T1MTJ-Strukturausschnitt 500 dargestellt ist. Der magnetische Tunnelübergang (MTJ-Stapel) 502 weist eine Speicherschicht 504, eine Tunnelbarrierenschicht 506 und eine Referenzschicht 508 auf. Die Speicherschicht 504 weist eine schaltbare magnetische Ausrichtung auf, wohingegen die Referenzschicht 508 eine festgelegte magnetische Ausrichtung aufweist.
Eine Bitleitung 510 ist mit dem MTJ-Stapel 502 neben seiner Speicherschicht 504 gekoppelt. Eine Wortleitung 512 und eine Steuerleitung 514, angeordnet parallel zueinander und senkrecht zu der Bitleitung 510, sind mit dem MTJ-Stapel gekoppelt neben der Referenzschicht-Seite des MTJ 502 ohne direkten Kontakt. Die Wortleitung 512 und die Steuerleitung 514 können parallel zueinander in einer vertikalen Richtung angeordnet sein als ein Beispiel, wie es in 5 dargestellt ist, oder sie können parallel zueinander in einer horizontalen Richtung angeordnet sein, abhängig von dem Entwurf der Zellenstruktur. Die Steuerleitung 514 ist mit dem Gate eines Transistors 516 gekoppelt zum Aktivieren des MTJ 502 für eine Leseoperation bzw. eine Schreiboperation. Das Drain des Transistors 516 ist gekoppelt mit der Referenzschicht 508 des MTJ 502 mittels einer leitfähigen Struktur 518 und einer Verbindungsstruktur 520. Die leitfähige Struktur 518 kann eine einzelne leitfähige Schicht sein oder sie kann mehrere Vias aufweisen, mehrere Verbindungen und zusätzliche leitfähige Strukturen. Die Source des Transistors 516 kann geerdet sein. Es ist anzumerken, dass verschiedene Arten von Transistoren verwendet werden können abhängig von dem Design des Schaltkreises, wobei die verbundenen Komponenten, welche mit der Source, dem Drain und dem Gate des Transistors gekoppelt sind, entsprechend verändert werden.
Beispielsweise schaltet im Zusammenhang eines Spin-Übertragungs-Schaltens der magnetoresistiven Speicherzellen die Steuerleitung 514 den Transistor an und der Strom wird bereitgestellt von der Bitleitung 510. Der Strom, welcher durch den MTJ-Stapel 502 fließt, schaltet die Magnetisierung des MTJ-Stapels 502, wenn die Intensität des Stroms ausreichend groß ist. Ferner erzeugt ein Strom mit einer bestimmten Richtung, welcher durch die Wortleitung 512 fließt, ein Magnetfeld, welches zusätzlich zu dem Spinpolarisierten Strom wirkt zum Schalten der Ausrichtung der Magnetisierung der Speicherschicht 504. In einem Beispiel wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Strom von der Wortleitung 512 derart bereitgestellt, dass das dadurch erzeugte Magnetfeld schnell verändert wird, was das Magnetisierungs-Schalten des MTJ-Stapels 502 mit einem kleineren Spin-Polarisierungsstrom ermöglicht.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine Zellenanordnung 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zellenanordnung 600 weist eine Mehrzahl von Zellen 602 auf und eine Steuerung 604 zum Programmieren der Mehrzahl von Zellen 602. Wie in 6 dargestellt, ist die Steuerung 604 verbunden mit jeder Bitleitung 606, Wortleitung 608 und Steuerleitung 610 derart, dass der Strom durch jede dieser Leitungen von der Steuerung 604 gesteuert wird. Ferner erzeugt die Steuerung, wenn sie ermittelt, dass sie eine Stoner-Wohlfarth-Typ-Speicherzelle 602 programmieren soll, ein Steuersignal zum Steuern des Stroms durch die Bitleitung 606 entsprechend zu der Zelle 602, und sie steuert den Strom durch die entsprechende Wortleitung 608 zum Erzeugen eines schnell veränderten Magnetfeldes. Wenn in einem anderen Beispiel die Steuerung 604 ermittelt, dass sie eine Spin-Moment-Typ-Speicherzelle programmieren soll, erzeugt sie ein Steuersignal zum Steuern des Stroms, welcher durch die Speicherzelle 602 fließt, und zum Steuern des Stroms, welcher durch die entsprechende Wortleitung 608 fließt zum Erzeugen eines schnell sich verändernden Magnetfeldes. Die Steuerung 604 kann ein Mikrocontroller sein. Sie kann ferner eine Mehrzahl von Teil-Steuerungen aufweisen, beispielsweise eine Bitleitungs-Teil-Steuerung, eine Wortleitungs-Teil-Steuerung und eine Steuerungsleitungs-Teil-Steuerung derart, dass jede Teil-Steuerung die unterschiedlichen Gruppen leitfähiger Leitungen jeweils (beispielsweise individuell) steuert.
Es ist anzumerken, dass die Zellenanordnung 600 auch nur Bitleitungen 606 und Wortleitungen 608 aufweisen kann ohne Steuerleitungen 610, gleich der Struktur aus 3A. In einem solchen Fall ist die Steuerung 604 verbunden mit jeder Bitleitung 606 und jeder Wortleitung 608 zum Steuern des Stroms durch jede dieser Leitungen. In gleicher Weise kann die Steuerung 604 Teil-Steuerungen aufweisen wie beispielsweise eine Bitleitungs-Teil-Steuerung und eine Wortleitungs-Teil-Steuerung, wobei eine jeweilige derselben die Bitleitungen bzw. die Wortleitungen steuert.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises mit einer Zellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 702 wird ein erster Strom an die magnetoresistive Speicherzelle angelegt. Zumindest teilweise zur selben Zeit, beispielsweise kurz nach dem Anlegen des ersten Stroms, wird ein Übergang eines Magnetfeldes in 704 angelegt. Die Übergangszeit des Magnetfeldes ist kürzer als die Zeit, die dafür benötigt wird, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert. Beispielsweise wird das Magnetfeld unter Verwendung eines zweiten Stroms erzeugt, und der Übergang des Magnetfeldes wird bereitgestellt mittels einer Veränderung des zweiten Stroms.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises mit einer Zellenanordnung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein erster Strom wird an die magnetoresistive Speicherzelle in 802 angelegt. Dann wird in 804 ein zweiter Strom an die magnetoresistive Speicherzelle angelegt. Der zweite Strom wird in 806 schnell verändert, so dass es ein Magnetfeld erzeugt mit einem schnellen Übergang, der kürzer ist als die Zeit, die dafür benötigt wird, dass die Magnetisierung der Speicherzelle schaltet. Ein solcher schneller Übergang des Magnetfeldes ermöglicht das Schalten der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle unter Anlegen des ersten Stroms und des zweiten Stroms mit einer niedrigeren Intensität bzw. Stromstärke. Der zweite Strom wird dann in 808 ausgeschaltet. Schließlich wird der erste Strom in 810 ausgeschaltet, so dass die geschaltete Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle erhalten bleibt. Es ist anzumerken, dass in einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung der Prozess 806 Teil des Prozess 804 oder des Prozesses 808 sein kann.
9A zeigt das Anlegen des Stroms, gesteuert durch die Steuerung, in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beispielsweise ist die magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Stoner-Wohlfarth-Typ. Zum Verändern der Magnetisierung der Speicherzelle wird ein induziertes Magnetfeld, erzeugt durch einen Strom, welcher durch sowohl die Bitleitung als auch durch die Wortleitung fließt, bereitgestellt.
Wie in 9A dargestellt, wird der BL-Strom 902 durch die Bitleitung bereitgestellt. Dann wird der WL-Strom 904 durch die Wortleitung bereitgestellt, beispielsweise einige Nanosekunden nach dem Anlegen des BL-Stroms 902. Eine schnelle Veränderung 906 des WL-Stroms 904 wird dann bereitgestellt. Die Veränderung ist beispielsweise eine ultra-schnelle Veränderung der Richtung und/oder der Amplitude des WL-Stroms 904. Verglichen mit dem WL-Strom 908, welcher quasi-statisch angelegt wird, kann in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein kleineres Schaltfeld erreicht werden als für das herkömmliche quasi-statische Schalten. Als ein Ergebnis kann die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle geschaltet werden unter Verwendung des BL-Stroms 902 und des WL-Stroms 904 mit geringerer Intensität. Es ist anzumerken, dass der Zeitpunkt für den Übergang nicht wichtig ist. Solange ein ausreichend schneller Übergang bereitgestellt wird, wenn der BL-Strom 902 aktiv ist, kann das Schaltfeld der magnetoresistiven Speicherzelle reduziert werden.
9B zeigt das Anlegen des Stroms, gesteuert mittels der Steuerung, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Spin-Moment-Typ, bei welcher ein Strom verwendet wird, welcher durch die magnetoresistive Speicherzelle fließt, zum Ändern der Magnetisierung der Speicherzelle. Wie in 9B dargestellt ist, wird der als TJ-Strom bezeichnete Strom 952 bereitgestellt derart, dass er durch den Tunnelübergang der Speicherzelle fließt. Der WL-Strom 954 wird dann bereitgestellt durch die Wortleitung, so dass ein zusätzliches Magnetfeld bereitgestellt wird zum Vereinfachen des Schaltens der Magnetisierung der Speicherzelle. Eine schnelle Veränderung 956 des WL-Stroms 954, beispielsweise in Richtung und/oder in Amplitude, wird dann bereitgestellt. Verglichen mit dem WL-Strom 958, welcher statisch angelegt wird, kann in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein kleineres Schaltfeld erreicht werden als für das konventionelle quasi-statische Schalten. Demgemäß kann die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle geschaltet werden unter Verwendung des BL-Stroms 952 und des WL-Stroms 954 mit geringerer Intensität.
Die schnelle Veränderung des WL-Stroms wird in 10 im größeren Detail erläutert. Wie dargestellt, wird der WL-Strom 1002 mit einer schnellen Veränderung bereitgestellt. Es ist die Magnetisierung der Speicherzelle 1004 und 1006 gemäß dem statischen WL-Strom und dem schnell sich verändernden WL-Strom dargestellt. Da der Übergang schnell ist, kann die Magnetisierung nicht adiabatisch der minimalen Energie folgen, da die Energie-Landschaft ihre Form zu schnell ändert, beispielsweise in einem Bereich von 10 ps bis 200 ps. Dadurch ist die Magnetisierung in einem Nicht-Gleichgewichtzustand mit höherer Energie, wie mittels des Punktes 1008 dargestellt. Die zusätzliche Energie ermöglicht ein Schalten der Magnetisierung mit einem Strom und einem Feld, welche kleiner sind als diejenigen, welche erforderlich sind in der Situation mit einem statischen Strom.
Wie in 11A und 11B dargestellt, können in einigen Ausführungsbeispielen Speichereinrichtungen, wie solche, welche oben beschrieben worden sind, in Modulen verwendet werden.
In 11A ist ein Speichermodul 1100 gezeigt, bei welchem eine Speichereinrichtung oder mehrere Speichereinrichtungen 1104 auf einem Substrat 1102 angeordnet sind. Die Speichereinrichtung 1104 kann aufweisen eine Mehrzahl von Speicherzellen, wobei jede dieser Speicherzellen ein Speicherelement verwendet gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Speichermodul 1100 kann ferner aufweisen eine oder mehrere elektronische Einrichtungen 1106, welche aufweisen kann oder können einen oder mehrere Speicher, einen oder mehrere Verarbeitungsschaltkreise, einen oder mehrere Steuerschaltkreise, einen oder mehrere Adressierungsschaltkreise, einen oder mehrere Bus-Verbindungsschaltkreise, oder einen oder mehrere Schaltkreise oder einen oder mehrere elektronische Einrichtungen, welche auf einem Modul an einer Speichereinrichtung, wie beispielsweise der Speichereinrichtung 1104, kombiniert werden können. Zusätzlich weist das Speichermodul 1100 mehrere elektrische Verbindungen 1108 auf, welche verwendet werden können zum Verbinden des Speichermoduls 1100 mit anderen elektronischen Komponenten, inklusive anderer Module.
Wie in 11B dargestellt, können diese Module in einigen Ausführungsbeispielen stapelbar ausgebildet sein, so dass sie einen Modulstapel 1150 bilden. Beispielsweise kann ein stapelbares Speichermodul 1152 aufweisen eine oder mehrere Speichereinrichtungen 1156, angeordnet auf einem stapelbaren Substrat 1154. Die Speichereinrichtung 1156 weist Speicherzellen auf, in denen eine oder mehrere Speicherelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden. Das stapelbare Speichermodul 1152 kann ferner aufweisen eine oder mehrere elektronische Einrichtungen 1158, welche aufweisen kann oder können einen oder mehrere Speicher, einen oder mehrere Verarbeitungsschaltkreise, einen oder mehrere Steuerschaltkreise, einen oder mehrere Adressierungsschaltkreise, einen oder mehrere Bus-Verbindungsschaltkreise oder einen oder mehrere andere Schaltkreise oder eine oder mehrere andere elektronische Einrichtungen, welche kombiniert werden können auf einem Modul mit einer Speichereinrichtung wie beispielsweise der Speichereinrichtung 1156. Elektrische Verbindungen 1160 werden verwendet zum Verbinden des stapelbaren Speichermoduls 1152 mit anderen Modulen in dem Stapel 1150, oder mit anderen elektronischen Einrichtungen. Andere Module in dem Stapel 1150 können enthalten zusätzlich stapelbare Speichermodule, gleich dem stapelbaren Speichermodul 1152, wie es oben beschrieben worden ist, oder andere Arten von stapelbaren Modulen wie beispielsweise stapelbare Verarbeitungsmodule, stapelbare Steuermodule, stapelbare Kommunikationsmodule oder andere stapelbare Module, welche elektronische Komponenten enthalten.
Obwohl die Erfindung vor allem im Zusammenhang mit spezifischen Ausführungsbeispielen gezeigt und beschrieben worden ist, sollte es von denjenigen mit dem Fachgebiet vertrauten Personen verstanden werden, dass vielfältige Änderungen der Ausgestaltung und der Details daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Bereich der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird, abzuweichen. Der Bereich der Erfindung wird daher durch die angefügten Ansprüche bestimmt, und es ist beabsichtigt, dass sämtliche Veränderungen, welche in Reichweite der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche liegen, von den Ansprüchen umfasst werden.

Claims

Integrierter Schaltkreis mit einer Zellenanordnung, wobei die Zellenanordnung aufweist: • mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle; • eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt; • eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt; und • eine Steuerung, eingerichtet derart, dass sie das Anlegen des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms derart steuert, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung des zweiten Leitungsstroms, derart bereitgestellt wird, dass eine Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als eine Zeit, die dafür benötigt wird, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.
Integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 1, wobei die erste Leitung eine Bitleitung ist und der erste Leitungsstrom ein Bitleitungsstrom ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 2, wobei der Bitleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 3, wobei der Bitleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 3 mA bis ungefähr 60 mA ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 4, wobei der Bitleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 10 mA bis ungefähr 50 mA ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Leitung eine Tunnelübergangs-Leitung ist und der erste Leitungsstrom ein Tunnelübergangs-Leitungsstrom ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 6, wobei der Tunnelübergangs-Leitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 20 μA bis ungefähr 5 mA ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 7, wobei der Tunnelübergangs-Leitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 50 μA bis ungefähr 1 mA ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als ungefähr 10 ns.
Integrierter Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zweite Leitung eine Wortleitung ist und der zweite Leitungsstrom ein Wortleitungsstrom ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 10, wobei der Wortleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Stoner-Wohlfarth-Typ aufweist.
Integrierter Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Spin-Moment-Typ aufweist.
Zellenanordnung, aufweisend: • mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle; • eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt; • eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt; und • eine Steuerung, eingerichtet zum Anlegen des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms derart, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung des zweiten Leitungsstroms, derart bereitgestellt wird, dass eine Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als eine Zeit, die dafür erforderlich ist, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.
Integrierter Schaltkreis mit einer Zellenanordnung, wobei die Zellenanordnung aufweist: • mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle; • eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt; • eine zweite Leitung, welchen einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt; und • eine Steuerung, eingerichtet zum Steuern des Anlegens des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms, derart, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung des zweiten Leitungsstroms, bereitgestellt wird; • wobei das Magnetfeld einen Nicht-Null-Winkel bezüglich der Ausrichtung der Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle aufweist; und • wobei der Übergang des Magnetfeldes ausreichend schnell ist, so dass das Schaltfeld der magnetoresistiven Speicherzelle reduziert wird.
Integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 15, wobei die erste Leitung eine Bitleitung ist und der erste Leitungsstrom ein Bitleitungsstrom ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 16, wobei der Bitleitungsstrom in einem Bereich von ungefähr 2 mA bis ungefähr 80 mA ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die erste Leitung eine Tunnelübergangs-Leitung ist und der erste Leitungsstrom ein Tunnelübergangs-Leitungsstrom ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 18, wobei der Tunnelübergangs-Leitungsstrom in einem Bereich ist von ungefähr 20 μA bis ungefähr 5 mA.
Integrierter Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Zeit des Übergangs des Magnetfeldes kürzer ist als ungefähr 10 ns.
Integrierter Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die zweite Leitung eine Wortleitung ist und der zweite Leitungsstrom ein Wortleitungsstrom ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Stoner-Wohlfarth-Typ ist.
Integrierter Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei die mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle eine magnetoresistive Speicherzelle vom Spin-Moment-Typ aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises mit einer Zellenanordnung, wobei das Verfahren aufweist: • Anlegen eines ersten Stroms an mindestens einer magnetoresistiven Speicherzelle; und • Anlegen zumindest teilweise zur selben Zeit eines Übergangs eines Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung eines zweiten Stroms, derart, dass die Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als die Zeit, die dafür erforderlich ist, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Speicherzelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.
Speichermodul, aufweisend: eine Mehrzahl von integrierten Schaltkreisen, wobei mindestens ein integrierter Schaltkreis der Mehrzahl von integrierten Schaltkreisen eine Zellenanordnung aufweist, wobei die Zellenanordnung aufweist: • mindestens eine magnetoresistive Speicherzelle; • eine erste Leitung, welche einen ersten Leitungsstrom bereitstellt; • eine zweite Leitung, welche einen zweiten Leitungsstrom bereitstellt; und • eine Steuerung, eingerichtet zum Anlegen des ersten Leitungsstroms und des zweiten Leitungsstroms derart, dass, während der erste Leitungsstrom aktiv ist, ein Übergang eines Magnetfeldes, bereitgestellt durch eine Veränderung des zweiten Leitungsstroms, bereitgestellt wird derart, dass eine Übergangszeit des Magnetfeldes kürzer ist als eine Zeit, die dafür erforderlich ist, dass die Magnetisierung der magnetoresistiven Zelle in einen veränderten Gleichgewichtszustand relaxiert.