DE102005059556A1

DE102005059556A1 - Hochfrequenzfeld-erwärmte Dioden zum Bereitstellen eines thermisch gestützten Umschaltens zu Magnetspeicherelementen

Info

Publication number: DE102005059556A1
Application number: DE102005059556A
Authority: DE
Inventors: Janice H. Sunnyvale Nickel
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2025-12-14
Also published as: US7397074B2; JP4690897B2; DE102005059556B4; JP2006196897A; US20060163629A1

Abstract

Ein exemplarisches Array thermisch gestützter Magnetspeicherstrukturen umfasst eine Mehrzahl von Magnetspeicherelementen, wobei jedes Magnetspeicherelement nahe an einer Diode ist. Eine Diode nahe an einem ausgewählten Magnetspeicherelement kann durch ein Absorbieren von Wärme von einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erwärmt werden. Die erwärmte Diode kann verwendet werden, um die Temperatur des ausgewählten Magnetspeicherelements zu erhöhen, um ein Umschalten des Magnetzustands des Magnetspeicherelements auf das Anlegen eines Schreibstroms hin thermisch zu unterstützen.

Description

Ein Speicherchip weist allgemein eine Mehrzahl von Speicherelementen auf, die auf einen Siliziumwafer aufgebracht und über ein Array von Spaltenleitungsanschlussleitungen (Bitleitungen) und Zeilenleitungsanschlussleitungen (Wortleitungen) adressierbar sind. Üblicherweise befindet sich ein Speicherelement an dem Schnittpunkt einer Bitleitung und einer Wortleitung. Die Speicherelemente werden durch spezialisierte Schaltungen gesteuert, die Funktionen durchführen, wie z. B. ein Identifizieren von Zeilen und Spalten, von denen Daten gelesen oder an die Daten geschrieben werden. Üblicherweise speichert jedes Speicherelement Daten in der Form einer „1" oder einer „0", was ein Bit Daten darstellt.

Ein Array von Magnetspeicherelementen kann als ein Magnetdirektzugriffsspeicher oder MRAM bezeichnet werden. Ein MRAM ist allgemein ein nichtflüchtiger Speicher (d. h. ein Festkörperchip, der Daten behält, wenn eine Leistung abgeschaltet wird). 1 stellt ein exemplarisches Magnetspeicherelement 100 eines MRAM in der verwandten Technik dar. Das Magnetspeicherelement 100 umfasst eine Datenschicht 110 und eine Referenzschicht 130, die voneinander durch zumindest eine Zwischenschicht 120 getrennt sind. Die Datenschicht 110 könnte auch als eine Bitschicht, eine Speicherschicht oder eine Leseschicht bezeichnet werden. In einem Magnetspeicherelement könnte ein Bit Daten (z. B. eine „1" oder „0") durch ein „Schreiben" in die Datenschicht 110 über eine oder mehrere leitende Anschlussleitungen (z. B. eine Bitleitung und eine Wortleitung) gespeichert werden. Eine typische Datenschicht 110 könnte aus einem oder mehreren ferromagnetischen Materialien herge stellt sein. Die Schreiboperation wird üblicherweise über Schreibströme erzielt, die zwei externe Magnetfelder erzeugen, die, wenn diese kombiniert werden, die Ausrichtung des Magnetmoments in der Datenschicht auf eine vorbestimmte Richtung setzen.

Sobald das gespeicherte Bit Daten geschrieben wurde, kann es durch ein Bereitstellen eines Lesestroms durch eine oder mehrere leitende Anschlussleitungen (z. B. eine Leseleitung) an das Magnetspeicherelement gelesen werden. Für jedes Speicherelement sind die Ausrichtungen der Magnetmomente der Datenschicht 110 und der Referenzschicht 130 entweder parallel (in der gleichen Richtung) oder antiparallel (in unterschiedlichen Richtungen) zueinander. Der Grad an Parallelität beeinflusst den Widerstandswert des Elements und dieser Widerstandswert kann durch ein Lesen (z. B. über einen Leseverstärker) eines Ausgangsstroms oder einer -spannung, der/die durch das Speicherelement ansprechend auf den Lesestrom erzeugt wird, bestimmt werden.

Insbesondere weist, wenn die Magnetmomente parallel sind, der basierend auf dem Ausgangsstrom bestimmte Widerstandswert einen ersten relativen Wert (z. B. relativ niedrig) auf. Wenn die Magnetmomente antiparallel sind, weist der bestimmte Widerstandswert einen zweiten relativen Wert auf (z. B. relativ hoch). Die relativen Werte der beiden Zustände (d. h. parallel und antiparallel) sind üblicherweise ausreichend verschieden, um unterschiedlich erfasst zu werden. Eine „1" oder eine „0" könnte den jeweiligen relativen Widerstandswerten abhängig von einer Entwurfsspezifizierung zugewiesen sein.

Die Zwischenschicht 120, die auch als eine Abstandshalterschicht bezeichnet werden könnte, könnte ein isolierendes Material (z. B. Dielektrikum), ein nichtmagnetisches leitfähiges Material und/oder andere bekannte Materialien aufweisen.

Die oben beschriebenen Schichten und ihre jeweiligen Charakteristika sind typisch für Magnetspeicherelemente basierend auf Tunnelungsmagnetowiderstands- (TMR-) Effekten, die in der Technik bekannt sind. Andere Kombinationen von Schichten und Charakteristika könnten ebenso zur Herstellung von Magnetspeicherelementen basierend auf TMR-Effekten eingesetzt werden.

Wiederum andere Konfigurationen von Magnetspeicherelementen basieren auf anderen bekannten physischen Effekten (z. B. Riesenmagnetowiderstands- (GMR-), Anisotrop-Magnetowiderstands- (AMR-), Kollosal-Magnetowiderstands- (CMR-) und/oder anderen physischen Effekten).

In der gesamten Anmeldung werden verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele Bezug nehmend auf die TMR-Speicherelemente beschrieben, wie erstmals oben beschrieben. Fachleute auf dem Gebiet werden ohne Weiteres erkennen, dass die exemplarischen Ausführungsbeispiele gemäß den Anforderungen einer bestimmten Implementierung auch mit anderen Typen von Magnetspeicherelementen implementiert sein könnten, die in der Technik bekannt sind (z. B. anderen Typen von TMR-Speicherelementen, GMR-Speicherelementen, AMR-Speicherelementen, CMR-Speicherelementen, usw.).

Die verschiedenen leitenden Anschlussleitungen (z. B. Bitleitungen, Wortleitungen und Leseleitungen), die zur Auswahl der Speicherelemente in einem MRAM verwendet werden, sowie zum Lesen von Daten von oder Schreiben von Daten an die Speicherelemente, sind durch eine oder mehrere zusätzliche Schichten, die leitfähige Schicht (en) genannt werden, vorgesehen. 2 stellt ein exemplarisches Speicherarray 200 dar, das Magnetspeicherelemente 100a–100d umfasst, die durch Bitleitungen 210a–210b, Wortleitungen 220a–220b und Leseleitungen (nicht gezeigt) während Lese- oder Schreiboperationen auswählbar sind. Die Magnetspeicherelemente 100a–100d sind allgemein an den Kreuzungs punkten der Bitleitungen 210a–210b und Wortleitungen 220a–220b angeordnet.

Die Leseleitungen könnten auf oder unterhalb der Bitleitungen 210a–210b oder der Wortleitungen 220a–220b (und von denselben isoliert) oder in einer anderen geeigneten Konfiguration gemäß einer bestimmten Implementierung angeordnet sein.

Herkömmliche Magnetspeicherelemente, wie oben beschrieben, könnten beschrieben werden, wenn Ströme in der Bitleitung und der Wortleitung, die sich an einem ausgewählten Speicherelement schneiden, ausreichende kombinierte Magnetfelder erzeugen, um die Magnetausrichtung der Datenschicht des ausgewählten Speicherelements umzuschalten. Es ist bekannt, dass, wenn ein Magnetspeicherelement erwärmt wird (z. B. auf eine Temperatur, die höher als Raumtemperatur ist), die Magnetausrichtung der Datenschicht leichter umgeschaltet werden kann (z. B. durch ein kleineres kombiniertes Magnetfeld). So ist oft ein thermisch gestütztes Umschalten von Magnetausrichtungen in Speicherelementen ein wünschenswertes Merkmal.

Eine thermische Unterstützung wird typischerweise durch Heizerstrukturen bereitgestellt, die die Speicherelemente berühren oder nahe an denselben sind. Dioden in Serie zu Speicherelementen z. B. wurden implementiert, um als ein Heizer zum Erwärmen der Speicherelemente zu wirken. Diese Dioden werden durch das Anlegen einer Spannung über der Diodendurchbruchspannung erwärmt, um zu bewirkten, dass ein Rückwärtsstrom durch die Diode fließt. Der Rückwärtsstrom erwärmt dadurch die Dioden. Das Anlegen einer Spannung über der Diodendurchbruchspannung kann jedoch kostspielig sein.

So besteht ein Markt für ein alternatives Verfahren zum Erwärmen von Dioden, die nahe an Speicherelementen sind (z. B. in Serie geschaltet), mit einer reduzierten Spannung und ohne notwendigerweise zu bewirken, dass ein Strom durch die Dioden fließt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Array thermisch gestützter Magnetspeicherstrukturen, ein Verfahren zum Schreiben von Daten in ein thermisch gestütztes Magnetspeicherelement, ein Verfahren zum Herstellen einer thermisch gestützten Magnetspeicherstruktur, ein nichtflüchtiges Speicherarray, einen Magnetdirektzugriffsspeicher oder eine Vorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Array gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 16, ein nichtflüchtiges Speicherarray gemäß Anspruch 23, einen Speicher gemäß Anspruch 24 oder eine Vorrichtung gemäß Anspruch 29 gelöst.

Ein exemplarisches Array thermisch gestützter Magnetspeicherstrukturen umfasst eine Mehrzahl von Magnetspeicherelementen, wobei jedes Magnetspeicherelement nahe bei einer Diode ist. Eine Diode nahe an einem ausgewählten Magnetspeicherelement kann durch ein Absorbieren von Energie aus nahegelegenen elektromagnetischen Hochfrequenzfeldern erwärmt werden. Die erwärmte Diode kann verwendet werden, um die Temperatur des ausgewählten Magnetspeicherelements zu erhöhen, um ein Umschalten des Magnetzustands des Magnetspeicherelements auf das Anlegen eines Schreibstroms hin thermisch zu unterstützen.

Weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen sind unten ebenso beschrieben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein exemplarisches Magnetspeicherelement in der verwandten Technik;
2 ein exemplarisches Speicherarray mit einer Mehrzahl von Magnetspeicherelementen in der verwandten Technik;
3A und 3B eine exemplarische Koerzivität bei Raumtemperatur bzw. eine exemplarische Koerzivität bei einer erhöhten Temperatur zum Umschalten der Magnetausrichtung eines Magnetspeicherelements;
4 ein exemplarisches Speicherarray mit Dioden nahe an Magnetspeicherelementen;
5 eine exemplarische Querschnittsansicht einer Magnetspeicherstruktur mit zusätzlichen Leitern nahe einer Diode in der Nähe eines oben festgelegten bzw. gepinnten Magnetspeicherelements;
6 eine exemplarische Querschnittsansicht einer Magnetspeicherstruktur mit zusätzlichen Leitern nahe einer Diode in der Nähe eines unten festgelegten Magnetspeicherelements;
7 ein exemplarisches Verfahren zum Bilden der Magnetspeicherstrukturen der 5 oder 6;
8A bis 8F exemplarische Magnetspeicherstrukturen, die gemäß dem exemplarischen Verfahren aus 7 hergestellt werden; und
9 eine exemplarische Draufsicht eines Arrays von Magnetspeicherstrukturen mit zusätzlichen Leitern nahe einem Array von Magnetspeicherelementen.
I. Übersicht
Abschnitt II beschreibt exemplarische Wirkungen von Wärme auf die Koerzivität eines Magnetspeicherelements.
Abschnitt III beschreibt Gründe für ein Platzieren einer Diode nahe einem Magnetspeicherelement.
Abschnitt IV beschreibt exemplarische alternative Techniken zum Erwärmen von Dioden.
Abschnitt V beschreibt ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen von Magnetspeicherstrukturen, die erwärmt werden können, wie im Abschnitt IV beschrieben ist.
Abschnitt VI beschreibt eine exemplarische Draufsicht der Magnetspeicherstrukturen aus Abschnitt V.
Abschnitt VII beschreibt exemplarische Anwendungen der exemplarischen Magnetspeicherstrukturen.
II. Exemplarische Wirkungen von Wärme auf die Koerzivität
In vielen herkömmlichen MRAMs wird eine „1" oder eine „0" in ein Speicherelement geschrieben, indem die Magnetausrichtung der Datenschicht in dem Speicherelement umgeschaltet wird. Die Magnetausrichtung wird üblicherweise durch (die Vektorsumme von) Magnetfelder(n) umgeschaltet, die aus Schreibströmen (I_x, I_y) resultieren, die in zwei orthogonalen Schreibleitern (d. h. einer Bitleitung und einer Wortleitung), einem oberhalb und einem unterhalb des Speicherelements, fließen. Das ausgewählte Speicherelement erfährt ein Bitleitungsfeld und ein Wortleitungsfeld, während andere Speicherelemente in der ausgewählten Zeile und Spalte nur eines des Bitleitungsfelds und des Wortleitungsfelds erfahren.
In einem thermisch gestützten (jedoch anderweitig herkömmlichen) MRAM wird ein ausgewähltes Speicherelement kurz vor oder während einer Schreiboperation erwärmt. Als ein Ergebnis der erhöhten Wärme wird die Koerzivität (d. h. die Leichtigkeit eines Umschaltens der Magnetausrichtung des Speicherelements) des erwärmten Speicherelements reduziert und kleinere Umschalt-Magnetfelder sind zum Beschreiben dieses Speicherelements nötig.
3A stellt einen exemplarischen Graphen einer Koerzivität (Hc) bei Raumtemperatur dar und 3B stellt einen exemplarischen Graphen einer Koerzivität (Hc) bei einer erhöhten Temperatur (z. B. 50°C über Raumtemperatur) dar. Bei der erhöhten Temperatur schaltet die Magnetausrichtung der Datenschicht eines Magnetspeicherelements bei einem niedrigeren kombinierten Magnetfeld um. Deshalb ermöglicht ein Erwärmen eines Magnetspeicherelements ein Reduzieren der Größen eines oder beider der Schreibströme (I_x, I_y). Selbst wenn jedoch die Größen eines oder mehrerer Schreibströme nicht reduziert werden, schaltet ein erwärmtes Magnetspeicherelement bei Vorliegen eines kombinierten Magnetfelds zuverlässiger um als ein nicht erwärmtes Magnetspeicherelement. So können der Grad eines Erwärmens eines ausgewählten Magnetelementspeicherelements und die Schreibströme, die an das Speicherelement angelegt werden, abhängig von einer erwünschten Umschaltzuverlässigkeit eingestellt werden (z. B. abgewogen werden).
III. Dioden in nächster Nähe zu Magnetspeicherelementen
4 stellte ein exemplarisches Speicherarray 400 dar, das Magnetspeicherelemente 100a–100d umfasst, die durch Bitleitungen 210a–210b, Wortleitungen 220a–220b und Leseleitungen (nicht gezeigt) während Lese- oder Schreiboperationen auswählbar sind. Die Magnetspeicherelemente 100a–100d sind allgemein an den Kreuzungspunkten der Bitleitungen 210a–210b und Wortleitungen 220a–220b angeordnet, müssen jedoch nicht notwendigerweise einen elektrischen Kontakt zu der Bit- und der Wortleitung 210 und 220 herstellen. Die Leseleitungen könnten auf oder unterhalb der Bitleitungen 210a–210b oder der Wortleitungen 220a–220b (und von denselben isoliert) oder in jeder weiteren geeigneten Konfiguration gemäß einer bestimmten Implementierung angeordnet sein. Bei einigen anderen Implementierungen könnten die Leseleitungen nicht notwendig sein. Bei diesen Implementierungen könnten eine oder mehrere der Bitleitungen 210a–210b oder Wortleitungen 220a–220b als Leseleitungen verwendet werden. Das exemplarische Speicherarray 400 umfasst außerdem Dioden 410a–410d nahe an den Magnetspeicherelementen 100a–100d. Bei einer exemplarischen Implementierung sind die Dioden 410a–410d in Serie zu jeweiligen Magnetspeicherelementen 100a–100d geschaltet.
In Serie zu Magnetspeicherelementen geschaltete Dioden können viele Vorteile bereitstellen. Die Dioden können z. B. verhindern, dass unerwünschte Ströme durch nichtausgewählte Magnetspeicherelemente fließen, und/oder diese reduzieren. Ferner können Dioden die effektive Impedanz durch nichtausgewählte Magnetspeicherelemente erhöhen. Eine erhöhte Impedanz wiederum reduziert die Dämpfung des während einer Leseoperation erfassten Stroms, außerdem hat sich gezeigt, dass diese ein Rauschen reduziert. Deshalb könnte ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erhalten werden. Dioden, die in Serie zu Magnetspeicherelementen geschaltet sind, können außerdem eine Schreibstromeinheitlichkeit verbessern, indem ein Widerstandswert in nichtausgewählten Pfaden in dem Speicherarray erhöht wird, so dass der Schreibstrom durch nichtausgewählte Speicherelemente nicht umgeleitet wird. Diese und weitere Vorteile von Dioden, die in Serie zu Magnetspeicherelementen geschaltet sind, sind detaillierter in einer anhängigen Patentanmeldung Seriennummer 10/151,913 von Perner u. a., die der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung zugewie sen ist, beschrieben, wobei diese anhängige Anmeldung hierin zu allen Zwecken durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Zusätzlich zu den vielen oben beschriebenen Vorteilen können Dioden, die in Serie zu Magnetspeicherelementen geschaltete sind (oder einfach in unmittelbarer nähe zu denselben sind), auch als Heizer zum Erwärmen ihrer jeweiligen Elemente verwendet werden. Ein ausgewähltes Speicherelement z. B. kann durch eine nahegelegene erwärmte Diode erwärmt werden. Dioden könnten z. B. durch Anlegen einer Spannung über der Diodendurchbruchspannung erwärmt werden, um zu bewirkten, dass ein Rückwärtsstrom durch die Diode fließt. Der Rückwärtsstrom erwärmt dadurch die Diode.
Alternative Weisen zum Erwärmen einer Diode sind Gegenstand dieser Anmeldung und hierin beschrieben.
IV. Exemplarische alternative Techniken zum Erwärmen von Dioden
5 stellt eine exemplarische Magnetspeicherstruktur 500 dar, die ein Erwärmen einer Diode nahe einem Magnetspeicherelement ermöglicht, ohne dass notwendigerweise eine Spannung über der Diodendurchbruchspannung angelegt werden muss.
Die Speicherstruktur 500 umfasst ein Magnetspeicherelement 100 (das eine Datenschicht 110, eine Abstandshalterschicht 120 und eine Referenzschicht 130 umfasst), eine Diode 410 nahe dem Magnetspeicherelement 100 (z. B. in Serie zu dem Magnetspeicherelement 100 geschaltet), einen ersten Schreibleiter 210 (z. B. eine Bitleitung) und einen zweiten Schreibleiter 220 (z. B. eine Wortleitung), ein Paar zusätzlicher Leiter 520a–520b und ein isolierendes Material (z. B. Dielektrikum) 510 zum Isolieren des ersten Schreibleiters 210 von den zusätzlichen Leitern 520a–520b.
In der Speicherstruktur 500 weist die Diode 410 eines oder mehrere Materialien auf, die in der Lage sind, Energie von elektromagnetischen Hochfrequenzfeldern zu absorbieren. Die Diode 410 z. B. könnte amorphes Silizium und/oder mikrokristallines Silizium umfassen. Die physische Konfiguration der Diode könnte eine n-Typ-Siliziumschicht auf einer p-Typ-Siliziumschicht (oder umgekehrt) umfassen. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass weitere Diodenkonfigurationen (z. B. unterschiedliche Geometrien), die in der Technik bekannt sind, alternativ implementiert werden können.
Die Diode 410 kann durch ein Liefern eines kleinen Stroms durch die zusätzlichen Leiter 520a–520b bei einer Frequenz, die geeignet für das eine oder die mehreren bestimmten Diodenmaterialien ist, erwärmt werden. Der Strom, der in den zusätzlichen Leitern 520a–520b läuft, erzeugt elektromagnetische Hochfrequenzfelder, die durch die Diode 410 absorbiert werden können. Die Diode 410 wird dann nach einem Absorbieren der elektromagnetischen Hochfrequenzfelder erwärmt. Allgemein kann der Strom in den zusätzlichen Leitern 520a–520b durch ein Anlegen einer Spannung, die kleiner ist als die Diodendurchbruchsspannung, geliefert werden und ein geringer oder kein Strom muss durch die Diode fließen, um die Diode zu erwärmen.
Die Diode 410 muss nicht in Serie zu dem Magnetspeicherelement 100 geschaltet sein, um das Element zu erwärmen, solange die Diode 410 ausreichend nahe angeordnet ist, um die Datenschicht 110 des Magnetspeicherelements 100 z. B. unmittelbar vor oder während einer Schreiboperation zu erwärmen. Die Diode 410 kann statt dessen benachbart zu (z. B. auf) der Referenzschicht 130 angeordnet sein. Wenn jedoch die Diode 410 in Serie zu dem Magnetspeicherelement 100 geschaltet ist, kann die Diode 410 auch zusätzliche Vorteile liefern, wie oben im Abschnitt III beschrieben ist.
Bei einer exemplarischen Implementierung weisen die zusätzlichen Leiter 520a–520b eines oder mehrere leitfähige Materialien auf, wie z. B. Cu, Al, AlCu, Ta, W, Au, Ag, Legierungen eines oder mehrerer der obigen und/oder eines oder mehrere weitere leitfähige Materialien und Legierungen.
Die physischen Konfigurationen der zusätzlichen Leiter 520a–520b und der Diode 410, die in 5 dargestellt sind, sind lediglich beispielhaft. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird ohne Weiteres erkennen, dass die zusätzlichen Leiter 520a–520b in der Nähe von (z. B. in der Umgebung von, nahe bei, usw.) der Diode 410 implementiert sein können, so dass die elektromagnetischen Hochfrequenzfelder, die von den Leitern ausgehen, wirksam durch die Diode 410 absorbiert werden können, um die Diode 410 auf eine erwünschte Temperatur zu erwärmen.
Speicherstrukturen mit zusätzlichen Schichten sind ebenso in der Technik bekannt und könnten in verschiedenen Ausführungsbeispielen, die hierin beschrieben werden, gemäß einer bestimmten Entwurfsauswahl implementiert werden. Eine weitere Magnetspeicherstruktur z. B. könnte auch eine Keimschicht, eine antiferromagnetische (AFM-) Schicht, eine Schutzabdeckungsschicht und/oder andere Schichten umfassen. Die Keimsicht verbessert eine Kristallinausrichtung innerhalb der AFM-Schicht. Exemplarische Materialien für eine Keimschicht umfassen Ta, Ru, NiFe, Cu oder Kombinationen dieser Materialien. Die AFM-Schicht verbessert eine magnetische Stabilität in der Referenzschicht 130. Exemplarische Materialien für eine AFM-Schicht umfassen IrMn, FeMn, NiMn, PtMn und/oder andere gut bekannte Materialien. Die Schutzabdeckschicht schützt die Datenschicht 110 vor der Umgebung (z. B. durch Reduzieren einer Oxidation der Datenschicht 110) und könnte unter Verwendung eines geeigneten in der Technik bekannten Materials gebildet sein. Exemplarische Materialien für eine Schutzabdeckschicht umfassen Ta, TaN, Cr, Al, Ti und/oder wiederum andere Materialien. Zur Er leichterung einer Erklärung sind diese zusätzlichen Schichten in den Figuren nicht gezeigt.
Die Schreibleiter 210 und 220 könnten aus Cu, Al, AlCu, Ta, W, Au, Ag, Legierungen eines oder mehrerer der obigen und/oder einem oder mehreren weiteren leitfähigen Materialien und Legierungen hergestellt sein. Die Schreibleiter 210 und 220 könnten durch Aufbringung oder andere Techniken, die in der Technik bekannt sind (z. B. Zerstäubung, Verdampfung, Elektroplattieren, usw.), gebildet sein. Die Schreibleiter 210–220, die in 5 dargestellt sind, sind lediglich beispielhaft. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass andere Konfigurationen auch gemäß einer bestimmten Entwurfsauswahl implementiert werden können. Einer oder mehrere Schreibleiter 210 und 220 z. B. könnten zumindest teilweise durch ein ferromagnetisches Umhüllungsmaterial umhüllt sein oder thermisch von dem Speicherelement 100 durch ein isolierendes Material (z. B. Dielektrikum, Luft, ein Vakuum, usw.) isoliert sein, usw. Wenn eine Umhüllung implementiert ist, könnte die Umhüllung eines oder mehrere Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit (z. B. amorphe metallische, dotierte Halbleiter- und/oder andere Materialien oder Legierungen) und/oder ferromagnetischen Eigenschaften aufweisen. Wenn eine Umhüllung implementiert ist, könnte z. B. in dem zweiten Schreibleiter 220 das Speicherelement 100 einen elektrischen Kontakt zu einem Abschnitt der Umhüllung anstatt dem Schreibleiter 220 herstellen, um eine Wärmeübertragung durch den Schreibleiter 220 zu reduzieren.
Die Datenschicht 110 könnte eines oder mehrere ferromagnetische Materialien aufweisen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfassen ferromagnetische Materialien, die geeignet für die Datenschicht 110 sind, ohne Einschränkung NiFe, NiFeCo, CoFe, amorphe ferromagnetische Legierungen (z. B. CoZrNb, CoFeB) und andere Materialien. Bei einer exemplarischen Implementierung weist die Datenschicht 110 einen Ferromagneten (FM) auf, der in Kontakt mit einem Antiferromagneten (AFM) steht. Durch ein Koppeln einer FM-Schicht mit einer AFM-Schicht könnte eine erwünschte Temperaturabhängigkeit der Datenschichtkoerzivität erhalten werden. Eine hohe Koerzivität z. B. könnte bei Raumtemperatur aufgrund einer großen FM-AFM-Austauschanisotropie erzielt werden. Eine hohe Raumtemperatur-Koerzivität könnte ein unbeabsichtigtes Beschreiben nichtausgewählter Speicherelemente auf ausgewählten Zeilen und/oder Spalten verhindern. Beispiele von AFM-Materialien umfassen ohne Einschränkung Iridium-Mangan (IrMn), Eisen-Mangan (FeMn), Nickel-Mangan (NiMn), Nickel-Oxid (NiO), Platin-Mangan (PtMn) und/oder andere Materialien.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Abstandshalterschicht 120 eine Tunnelbarriereschicht (z. B. wenn das Speicherelement 100 ein TMR-Speicherelement ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel könnte die Abstandshalterschicht 120 aus SiO₂, SiN_x, MgO, Al₂O₃, AlN_x und/oder anderen isolierenden Materialien hergestellt sein.
Bei einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Abstandshalterschicht 120 eine nichtmagnetische leitfähige Schicht (z. B. wenn das Speicherelement 100 ein GMR-Speicherelement ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel könnte die Abstandshalterschicht 120 aus Cu, Au, Ag und/oder anderen nichtmagnetischen leitfähigen Materialien hergestellt sein.
Die Referenzschicht 130 könnte eine einzelne Schicht eines Materials oder mehrere Schichten von Materialien aufweisen. Die Referenzschicht 130 könnte z. B. eines oder mehrere ferromagnetische Materialien aufweisen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfassen ferromagnetische Materialien, die geeignet für die Referenzschicht 130 sind, NiFe, NiFeCo, CoFe, amorphe ferromagnetische Legierungen (z. B. CoZrNb, CoFeB) und andere Materialien.
Allgemein könnte eine Speicherstruktur in einer oben festgelegten bzw. gepinnten Konfiguration hergestellt sein (bei der die Referenzschicht 130 auf der Datenschicht 110 ist) oder einer unten festgelegten Konfiguration (bei der die Referenzschicht 130 unterhalb der Datenschicht 110 ist). 5 stellt eine exemplarische oben festgelegte Konfiguration dar und 6 stellt eine exemplarische unten festgelegte Konfiguration dar.
6 stellt eine exemplarische Magnetspeicherstruktur 600 dar. In der Magnetspeicherstruktur 600 ist die Diode 410 auf dem (unten festgelegten) Magnetspeicherelement 100 implementiert. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass der Ort der Diode 410, die hier dargestellt ist, lediglich beispielhaft ist. Zusätzlich muss die Diode 410 nicht in Serie zu dem Magnetspeicherelement 100 geschaltet sein, um das Element zu erwärmen, solange die Diode 410 ausreichend nahe angeordnet ist, um die Datenschicht 110 des Magnetspeicherelements 100, z. B. unmittelbar vor oder während einer Schreiboperation, zu erwärmen. Die Diode 410 kann stattdessen z. B. benachbart zu (z. B. unterhalb) der Referenzschicht 130 angeordnet sein.
7 unten beschreibt ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der Speicherstrukturen 500 oder 600.
V. Ein exemplarisches Verfahren zur Herstellung der Magnetspeicherstrukturen der 5 oder 6
7 stellt ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen der Magnetspeicherstrukturen 500 oder 600 dar. Die 8A bis 8F stellen exemplarische Magnetspeicherstrukturen dar, die gemäß den Verfahrensschritten aus 7 hergestellt werden.
Bei Schritt 710 wird eine Schicht eines dielektrischen Materials durch Aufbringung oder andere ähnliche Techniken, die in der Technik bekannt sind, gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung wird das gebildete dielektrische Material durch einen Planarisierungsvorgang, wie z. B. eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP), planarisiert. Eine exemplarische Schicht des planarisierten dielektrischen Materials 810 ist in 8A dargestellt.
Bei Schritt 720 sind Gräben in dem dielektrischen Material durch ein Trocken- oder Nassätzverfahren, das in der Technik bekannt ist, gebildet. 8B stellt die exemplarische Schicht dielektrischen Materials 810 mit Gräben 820 dar.
Bei Schritt 730 wird eine Schicht leitfähigen Materials durch Aufbringung oder andere ähnliche Techniken, die in der Technik bekannt sind, gebildet. 8C stellt eine exemplarische Schicht leitfähigen Materials 830 oberhalb der Schicht dielektrischen Materials 810 dar.
Bei Schritt 740 wird ein anisotropes Ätzen durchgeführt, um das leitfähige Material differenziell zu ätzen. Bei einer exemplarischen Implementierung entfernt das anisotrope Ätzen die leitfähigen Materialien auf der oberen und unteren Oberfläche, hinterlässt jedoch die leitfähigen Materialien an den Seitenwänden der Gräben im Wesentlichen intakt. Techniken zum Durchführen von anisotropen Ätzungen sind in der Technik bekannt und müssen hierin nicht detailliert beschrieben werden. 8D stellt exemplarische leitfähige Materialien 840 an den Seitenwänden der Gräben dar.
Bei Schritt 750 wird eine weitere Schicht dielektrischen Materials durch Aufbringung oder weitere ähnliche Techniken, die in der Technik bekannt sind, gebildet. Bei einer exemplarischen Implementierung wird das gebildete dielektrische Material durch einen Planarisierungsvorgang, wie z. B. eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP), planarisiert. 8E stellt eine weitere Schicht planarisierten dielektrischen Materials 850 dar, die auf den leitfähi gen Materialien 840 und der ersten Schicht dielektrischen Materials 810 gebildet ist.
Bei Schritt 760 werden die ersten Leiter 210, die Dioden 410, die Magnetspeicherelemente 100 und die zweiten Leiter 220 auf der Struktur aus 8E durch in der Technik bekannte Techniken gebildet. 8F stellt exemplarische Magnetspeicherstrukturen, die der Struktur 500 auf 5 ähneln, dar. In 8F können die leitfähigen Materialien 840 mit einem Decodierer und einer Leistungsquelle (in 9 gezeigt) gekoppelt werden, um zusätzliche Leiter 520a–520b zu bilden.
Zur Erleichterung einer Erläuterung ist in 8F nur die oben festgelegte Konfiguration gezeigt. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird ohne Weiteres erkennen, dass die unten festgelegte Konfiguration (z. B. wie Struktur 600 aus 6) alternativ unter Verwendung der hierin beschriebenen exemplarischen Vorgänge gemäß einer bestimmten Entwurfsanforderung implementiert werden könnten.
VI. Eine exemplarische Draufsicht eines exemplarischen Arrays von Magnetspeicherstrukturen
9 stellt eine exemplarische Draufsicht zusätzlicher Leiter 520a–520b, die nahe einem Arrays von Magnetspeicherelementen 100a–100c gebildet sind, dar. Zur Erleichterung einer Erläuterung sind verschiedene andere Elemente in den Magnetspeicherstrukturen nicht gezeigt (z. B. die Schreibleiter, Dioden, verschiedenen Schichten der Magnetspeicherelemente, usw.).
Die zusätzlichen Leiter 520a–520b sind (an einem Ende) mit einem Decodierer 910 und einer Leistungsquelle 920 zum Bereitstellen eines Stroms bei einer Hochfrequenz, die zum Erwärmen von Dioden 410 (nicht gezeigt) nahe an den Magnetspeicherelementen 100a–100c verwendbar ist, verbunden.
Bei einer exemplarischen Implementierung sind für jede Zeile (oder Spalte) von Magnetspeicherelementen die zusätzlichen Leiter 520a–520b (an einem anderen Ende) miteinander verbunden. So liefert, wenn ein Magnetspeicherelement in einer Zeile ausgewählt ist (z. B. bei einer Schreiboperation), der Decodierer 910, der mit der Leistungsquelle 920 gekoppelt ist, einen ausreichenden Strom an die zusätzlichen Leiter 520a–520b dieser Zeile, um alle Dioden in der Zeile zu erwärmen. Bei einer exemplarischen Schreiboperation werden separate Schreibströme in die Schreibleiter 210 und 220 (nicht gezeigt), die sich an dem ausgewählten Magnetspeicherelement schneiden, zugeführt. Die kombinierten Magnetfelder, die von beiden der sich schneidenden Schreibleiter 210 und 220 ausgehen, schalten effektiv die Magnetausrichtung des ausgewählten (und erwärmten) Speicherelements um. Die anderen (erwärmten) Magnetspeicherelemente in der Zeile, die erwärmte Dioden aufweisen, erfahren ein Magnetfeld, das nur von einem der beiden Schreibleiter 210 und 220 ausgeht, das nicht ausreichend ist, um ihre Magnetausrichtung umzuschalten.
Bei wiederum einer weiteren exemplarischen Implementierung könnten die Dioden in der ausgewählten Reihe ausreichend erwärmt werden, derart, dass ein Schreibstrom, der über einen einzelnen Spaltenschreibleiter geliefert wird, der ein ausgewähltes Magnetspeicherelemente (das sich in der ausgewählten Reihe befindet) schneidet, verwendet wird, um die Magnetausrichtung des ausgewählten (und erwärmten) Speicherelements umzuschalten.
VII. Exemplarische Anwendungen der exemplarischen Magnetspeicherstrukturen
Die exemplarischen Magnetspeicherstrukturen, die hierin beschrieben sind, könnten in einem beliebigen MRAM implementiert sein. Ein MRAM kann in einem beliebigen System implementiert sein, das einen nichtflüchtigen Speicher benötigt. Ein MRAM könnte z. B. in einem Computer, einer Digitalkamera und/oder anderen Rechensystemen mit einem Prozessor und einem Schnittstellenmodul implementiert sein.
VIII. Schlussfolgerung
Die vorangegangenen Beispiele stellen bestimmte exemplarische Ausführungsbeispiele dar, aus denen weitere Ausführungsbeispiele, Variationen und Modifizierungen für Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich werden. Die Erfindungen sollen deshalb nicht auf die bestimmten oben erläuterten Ausführungsbeispiele eingeschränkt sein, sonder vielmehr durch die Ansprüche definiert werden.

Claims

Array thermisch gestützter Magnetspeicherstrukturen, wobei jede der Magnetspeicherstrukturen folgende Merkmale aufweist: ein Magnetspeicherelement (100); und eine Diode (410) nahe dem Magnetspeicherelement; wobei die Diode durch ein Absorbieren von Energie von einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld in der Umgebung der Diode erwärmt werden kann und die Diode, wenn sie erwärmt ist, die Temperatur des Magnetspeicherelements erhöhen kann, um ein Umschalten des Magnetzustands des Magnetspeicherelements auf das Anlegen eines Schreibstroms hin thermisch zu unterstützen.
Magnetspeicherstruktur gemäß Anspruch 1, die ferner zumindest einen Leiter nahe der Diode (410) aufweist, der konfiguriert ist, um das elektromagnetische Hochfrequenzfeld zu erzeugen.
Magnetspeicherstruktur gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Diode (410) in Serie zu dem Magnetspeicherelement (100) geschaltet ist.
Magnetspeicherstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Diode (410) ein Material aufweist, das in der Lage ist, Energie von dem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld zu absorbieren.
Magnetspeicherstruktur gemäß Anspruch 4, bei der das Material amorphes Silizium umfasst.
Magnetspeicherstruktur gemäß Anspruch 4, bei der das Material mikrokristallines Silizium umfasst.
Magnetspeicherstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Magnetspeicherelement (100) eine Datenschicht (110), eine Abstandshalterschicht (120) und eine Referenzschicht (130) aufweist.
Magnetspeicherstruktur gemäß Anspruch 7, bei der die Datenschicht (110) dadurch gekennzeichnet ist, dass ihre Magnetkoerzivität reduziert wird, wenn ihre Temperatur erhöht wird.
Magnetspeicherstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Diode (410) das Magnetspeicherelement (100) von anderen Magnetspeicherelementen in dem Array trennt.
Verfahren zum Schreiben von Daten in ein thermisch gestütztes Magnetspeicherelement in einem Array von Speicherelementen, mit folgenden Schritten: – Erwärmen einer Diode (410) nahe einem ausgewählten Speicherelement (100); wobei die erwärmte Diode: durch ein Absorbieren von Energie aus einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld nahe der Diode erwärmt wird; und die Temperatur des ausgewählten Speicherelements erhöht, wodurch die Magnetkoerzivität des ausgewählten Speicherelements reduziert wird; und – Anlegen eines Schreibstroms, der ausreichend ist, um den Magnetzustand des ausgewählten Speicherelements bei der reduzierten Magnetkoerzivität umzuschalten.
Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner ein Bereitstellen des elektromagnetischen Hochfrequenzfelds über einen Leiter nahe der Diode (410) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem die Diode (410) in Serie zu dem ausgewählten Speicherelement (100) geschaltet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Diode (410) ein Material aufweist, das Energie von dem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld absorbiert.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem das Material amorphes Silizium aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem das Material mikrokristallines Silizium aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer thermisch gestützten Magnetspeicherstruktur, mit folgenden Schritten: – Bilden eines Speicherelements (100); – Bilden einer Diode (410) nahe dem Speicherelement; und – Bilden zumindest eines Leiters zum Liefern eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes, um die Diode zu erwärmen; derart, dass während einer nachfolgenden Datenspeicheroperation die Diode durch ein Absorbieren von Energie von dem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erwärmt werden kann und Wärme in der Diode verwendet werden kann, um die Temperatur des Speicherelements zu erhöhen, wodurch ein Umschalten des Magnetzustands des Speicherelements auf das Anlegen eines Schreibstroms hin unterstützt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, das ferner folgenden Schritt aufweist: – Bilden von Lese- und Schreib-Leitern (210, 220) zur Durchführung von Lese- und Schreiboperationen an dem Speicherelement.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem das Bilden einer Diode (410) ein Schalten der Diode in Serie zu dem Speicherelement umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem die Diode amorphes Silizium aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem die Diode mikrokristallines Silizium aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem das Speicherelement (100) eine Datenschicht (110), eine Abstandshalterschicht (120) und eine Referenzschicht (130) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, bei dem die erhöhte Temperatur des Speicherelements eine Reduzierung der Magnetkoerzivität des Speicherelements (100) bewirkt.
Nichtflüchtiges Speicherarray, das eine Mehrzahl thermisch gestützter Magnetspeicherstrukturen aufweist, wobei jedes der Magnetspeicherstrukturen durch ein Verfahren hergestellt wird, das folgende Schritte aufweist: – Bilden eines Speicherelements (100); – Bilden einer Diode (410) nahe dem Speicherelement; und – Bilden zumindest eines Leiters zum Liefern eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes, um die Diode zu erwärmen; derart, dass während einer nachfolgenden Datenspeicheroperation die Diode durch ein Absorbieren von Energie von dem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld erwärmt werden kann und Wärme in der Diode verwendet werden kann, um die Temperatur des Speicherelements zu erhöhen, wodurch ein Umschalten des Magnetzustands des Speicherelements auf das Anlegen eines Schreibstroms hin unterstützt wird.
Magnetdirektzugriffsspeicher mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von Magnetspeicherelementen (100); einer Mehrzahl von Dioden (410), die jeweils in nächster Nähe zu einem jeweiligen der Magnetspeicherelemente sind; und zumindest einem Leiter nahe an den Dioden; wobei der Leiter in der Lage ist, einen Strom zu tragen, um elektromagnetische Hochfrequenzfelder zu erzeugen, die durch die Dioden absorbiert werden können, um die Dioden zu erwärmen, um dadurch die Temperatur eines oder mehrerer Magnetspeicherelemente zu erhöhen, um ein Umschalten einer Magnetausrichtung derselben thermisch zu unterstützen.
Speicher gemäß Anspruch 24, bei dem jede der Dioden (410) in Serie zu einem jeweiligen der Magnetspeicherelemente geschaltet ist.
Speicher gemäß Anspruch 24 oder 25, bei dem die Dioden ein amorphes Siliziummaterial aufweisen.
Speicher gemäß Anspruch 24 oder 25, bei dem die Dioden ein mikrokristallines Siliziummaterial aufweisen.
Speicher gemäß einem der Ansprüche 24 bis 27, der ferner einen Decodierer (910) aufweist, der mit dem Leiter gekoppelt und wirksam ist, um die Magnetspeicherelemente zum Erwärmen auszuwählen.
Vorrichtung zum Schreiben von Daten in ein thermisch gestütztes Magnetspeicherelement in einem Array von Speicherelementen, mit folgenden Merkmalen: – einer Einrichtung zum Erwärmen einer Diode (410) nahe einem ausgewählten Speicherelement (100), wobei die erwärmte Diode: – durch ein Absorbieren von Energie von einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld in der Umgebung der Diode erwärmt wird; und – die Temperatur des ausgewählten Speicherelements erhöht, wodurch die Magnetkoerzivität des ausgewählten Speicherelements reduziert wird; und – einer Einrichtung zum Anlegen eines Schreibstroms der ausreichend ist, um den Magnetzustand des ausgewählten Speicherelements bei der reduzierten Magnetkoerzivität umzuschalten.