本发明系关于一半导体内存具有彼此交叉的字符以及位线，其上配置磁阻内存胞元以及关于一种方法与一电路安排用以估计内存胞元之信息内容，磁阻内存胞元包含一连串的层包括至少一第一磁性层具有一第一磁化轴，一绝缘层以及一第二磁性层具有一第二磁化轴。
具有一磁阻电阻之非挥发性内存胞元-亦称为MRAM内存胞元-经常具有一层序列包含有铁磁材料组合以及一绝缘层分别位于其间。绝缘层亦被参考如一穿隧介电层。在此例中，内存效应属于单个内存胞元或复数内存胞元之磁性可变电阻。
铁磁材料每一层具有一磁化轴，该轴彼此平行配置，因此导致每一层磁化方向之两可能的装置。依赖内存胞元之磁化状态，在磁性层中的磁化方向可能被定出一平行或非平行方向的模式。依赖关于彼此相关的定位，内存胞元具有一不同电阻。在此例中，一平行磁化方向导致内存胞元中一较低电阻，而一非平行的磁化方向导致一较高电阻。
层系经常以仅有两铁磁层之一在引入磁场的影响之下改变其磁化状态的方式具体化，而其它层具有一时间不变的状态，那就是说其作为胞元之参考磁化方向。
绝缘层可能具有例如一厚度1到3奈米。晶由此层系统的电传导系实质上被一穿隧效应经由该绝缘层所决定。在穿隧绝缘体厚度之变化导致传导性的大变化因为绝缘体厚度在穿隧电流上具有一趋近指数的影响。
写入此一内存胞元的程序系藉由一电流实现。为此目的，内存胞元系以此一方式构成，其具有两互相交叉的电导体，以下称为字符线以及位线。一层序列包含如上述磁性层以及穿隧介电层系在每一例子中被提供于导体之间的交叉点上。一电流流经两导体，且产生一磁场。这些场之一堆栈所造成地磁场作用于个别磁性层之上。如果磁场强度足够大，暴露于场中的磁性层系易受到磁化逆转。
有一复数的可能性被考虑为估计内存胞元内容的读取方法。由于范例，其可能去执行胞元电阻之一直接估计且，如果适当，与一参考电阻例如另一胞元之一随后的比较。然而在此例中，上述变量在穿隧氧化物厚度中甚至相邻的胞元可导致参数波动的问题出现，其可比在磁阻电阻中被测量的差异在数量级为10-20％重要。
如一可选择的，其亦可能使用直接开关读取的方法。在此例中，在电流测量以决定内存胞元电阻期间，后者被施以此一高数值使在胞元内容之一磁化反转，即一改编程序，系被执行。在此例中，如果电流强度由于一被改变的电阻而改变，在一胞元已知磁化状态的例子中，则在电流被连接之前的状态系为已知。相同的使用于没有改变呈现之处的例子。然而，高胞元电阻在一低电压的例子中在此例子中引起的缺点是电流中预定的改变位在千分之一的范围中，且系因此难以侦测。然而主要地，此读取方法系无帮助的，即，在电阻中一改变的例子，必须在读取操作之前重新建立内存胞元内容。
一另外的可能性系被描述于DE19947114A1。两个电压连续储存在一电容中，其数值依赖于一程序化或开关企图之前以及之后的内存胞元中的电阻。电压可能被专用的额外电阻以例如可使在一差动放大器中一比较为可能所限定。仅当一成功的程序化企图发生时，储存在电容中不同的电压系被获得。原则上，不管怎样，在此例中亦发生一缺点，那就是原始的内存内容必须再次写入由于破坏性的读取方法，且其时间以及能量必须扩张由于复杂的重新读入的步骤。再者，此解决方法具有的缺点是，虽然电流经由非选择的字符以及位线可导致寄生效应之一减少，但是胞元数组尺寸系不可避免地被其所限制。
将上述先前技艺当作一偏差点，本发明的目的系基于提供具有磁阻内存胞元之一半导体内存以及用来操作史上述缺点可被避免的半导体内存的一种方法。特别是，意图使快速，精确且可靠的估计一内存胞元或一内存胞元数组在避免寄生效应时为可能。
本发明的目的系藉由一半导体内存具有互相交叉的字符以及位线，其上配置磁阻内存胞元而被达成，其在每一例子中至少包含：一第一磁性层具有一第一磁化轴，一绝缘层配置在其间，一第二磁性层具有一第二磁化轴，其特征在于第一磁性层系由硬铁磁材料形成，且第二磁性层系由软铁磁材料形成，以及第一以及第二磁化轴互相交叉当他们被投射到一字符以及位线横越的平面，且藉由一种用来操作半导体内存的方法来达成。
本发明之更细微的分别系说明于附属申请专利范围中。
磁阻内存胞元包含TMR组件(穿隧磁阻)或者GMR组件(巨大磁阻)或相似的内存组件，其系建造于内存胞元数组中字符以及位线的交叉点上，在每一例子中介于该线路之间。根据本发明，这些组件包含分隔的一硬磁性层以及一软磁性层，例如藉由一薄穿隧氧化物阻绝层作为一绝缘层。硬磁性铁磁层具有特性为具有一残留磁化，所谓的剩磁，当一外部提供的磁场关上时，即一磁的磁滞现象出现。
软磁铁磁层系决定于窄磁滞曲线，即藉由仅一低剩磁以及一对应小的高压场强度。因此，根据本发明，其并不像是硬磁层作为一内存层，其可藉由提供一磁场例如电流流经字符以及/或位线被改变，而是作为一感应层用以读出储存在硬磁性层中的信息，即在该层中残留磁化的定位。一可能的低残留磁化在软磁性层中没有影响读出结果。因此，在一有利的方法中，因为外部干涉场造成之软磁性层磁化的改变具有实际上不重要性。
磁性层具有单轴的非等向性，即在每一例子中简单磁化轴在目前磁化方向点沿着轴在一方向或在完全相反的方向。根据本发明，两层之两轴在位与字符线限定的一平面中交叉，那就是说-与传统例子相较-并不彼此平行配置。轴系较佳地互相垂直。软磁性层之磁化轴系以此方式定位使有关的磁化方向可被一电流流过例如字符线中引起之外部磁场影响。影响包含一在软磁层中磁化方向的偏角，即旋转，自稳定组态沿着磁化轴。磁化方向接着形成一角度具有简单或困难的磁化轴，其标出磁化之不稳定的组态。
在本发明之一有利的变化中，因此，软磁性层之磁化轴系配置实质上平行于被连接的字符线。一斜角的配置系亦可能。仅一实质上磁化轴之垂直的配置关于字符线使其可能去偏转目前的磁化在一关于硬磁化轴的角度方向。
逻辑上猜想的是本发明亦以一配置来作用，其中上述位线以及字符线系相互交换他们的作用方式。此例子系伴随包含于本发明。
内存层之单轴非等向性系由在磁场中沉积/加热处理且/或以内存组件的形式来定义。特别是，一非铁磁如一所谓的引线层系不必须。
本发明的效果系基于在内存组件中读出信息内容的期间一不同电阻之侦测依赖在硬磁层的磁化方向由于一电流强加于例如字符线中结果一磁场改变其直接地影响软磁性层之磁化方向。软磁性层之磁化方向系因此被侦测，为精确的在关于硬磁性层之磁化方向为一平行方向或在一非平行方向。组件的磁阻电阻，其可被藉由一电流或电压测量来决定，依照相关的定位而改变。
在另一方面，本发明特别有利的变化，经由字符线所强加的电流系随时间变化，较佳地如一AC电流具有一正弦曲线的曲线图。后者产生一间隔的磁场平行于感应层之硬磁化方向。因此，软磁性层之磁化系从简单磁化方向与磁场同相偏转经由一角度其在一平行配置的软磁性层之磁化轴以及字符线中可能为至多90度。
因为在硬磁化方向中的磁化改变系为线性且无磁滞现象，软磁性层之磁化与外部磁场系为同相。软磁性层之磁化相同地改变正弦地对于磁场振幅在饱和场强度(强制力，非等向场强度)之下，但是遭遇场振幅之过渡到饱和其超过此力(见第3图)，因此造成一直角的磁化曲线图。直角的讯号曲线亦可被藉由本发明来估计，但是被测量之电流或电压讯号的振幅不再可被增加超过此力之磁场振幅。
必然地，磁阻RMR亦随着AC电流的频率改变，其中：
符号+以及-对应硬磁性层之两可能的磁化方向的状态。α系由硬-以及软-磁性层之磁化方向所形成之一角度，ψ＝(π/2)-α系外部磁场的相角，ΔR表示在磁化之平行以及非平行定向之状态之间磁阻电阻中的不同且典型地位于从10％到30％的RMR的数值范围中。
在硬磁性层中内存信息之保留系被确认如果间隔的场之场振幅位于该层之强制力之下。因为硬磁性层之强制力系名线地大于软磁性层之强制力，在其场振幅的数量级上系较佳地被选择，且因为没有更多磁场在根据本发明之读出方法期间作用于内存组件上，所以此状况可简单地被实现。
变化的电压或变化的电流系被通过到例如目前被选择的字符线上且被连接到接地电位藉由一适当地选择额外的电阻以读出，其系明显地较低于内存胞元之磁阻电阻。为了此目的，半导体内存包含一对应的AC电压或电流来源。此额外电阻的选择确认内存组件上电流流动或者电压下降具有最少可能的反应在内存组件中字符线以及位线的讯号上。
由于关系式UMR＝IMR·RMR的有效性，由一电压测量装置测量在半导体内存之在字符线以及位线之间的电压UMR或者出现在内存组件之电压均随着流经内存组件之电流IMR改变且随着被选择的内存组件之磁阻电阻RMR改变。然而，这些改变系精确地为同相或分非同相依赖于平行或非平行的磁化倾向。必然地，不同的电压讯号形成每一的两个方向的可能性。适用于电流流经磁阻内存胞元之内存组件之类似的关系藉由一电流测量装置例如在位线上被测量。
本发明现在将使用一实施例参考一图标而更加详细地被解释，其中：
第1图显示根据本发明只一内存胞元数组之一实施例，
第2图显示以一内存胞元(a)之平面视角之磁化轴以及磁场之定位，以及设定的可能性以及本发明之软磁性层之磁化偏角之一倾斜视角(b)，
第3图显示一图标用以说明外部变化的磁场到软磁性层之磁化绘图，
第4图分别显示一实施例之电路图根据本发明具有AC电流提供至字符线(a)以及AC电压提供至(b)，
第5图显示在内存组件所测量之一AC电压之实施例图标，该自一AC电流提供至字符线索造成的电压依照本发明用于硬磁性层之磁化之两不同的定向。
根据本发明之内存胞元1在一半导体内存2中之一配置，其系被安排在字符线8以及位线9之间，可在第1图中见到。内存胞元1或内存组件具有一穿隧磁阻电阻(TMR)包含一硬铁磁层10，一绝缘层12，即一穿隧氧化物，以及一软铁磁层11。磁化20，21之方向-无磁场作用下-系分别平行于连接到层之字符以及位线。字符线8系垂直于位线9，因此硬与软铁磁层10，11之简单磁化轴30，31，该轴符合目前磁化方向，系亦彼此互相垂直。
信息被储存在硬铁磁层10的磁化方向。藉由范例，一逻辑”1”符合一朝向第2图b中的左边方位以及一逻辑”0”符合朝向右边的方位。在任何例子中低磁化之方位21在软铁磁层11于无电流的例子中系可允许的且对于内存信息系无初始重要性。
AC电流IY之影响-强加入字符线8自一AC电流来源50-用以读出内存内容系被说明于第2图a中内存胞元1之一平面视角中。字符线8之方位在此实施例中系被了解为Y坐标。电流流量IY产生一磁场Hx尤其是在配置于字符线8之下在平面视角之间的软铁磁层11。因为软磁性层11之简单磁化轴31平行于字符线8，磁场方向系垂直于简单磁化轴。外部磁场Hx偏转软磁性层之磁化方向21从简单磁化轴31的位置经由角度ψ，如在第2图b右手边之图标斜角视角中可见。
第3图显示软磁性层之硬磁化分量Mx之依赖，其作用如一感应层在两例子之正弦曲线的间隔磁场Hx上。在第一例子中(粗体描绘之正弦曲线)，磁场之振幅Hx0系少于软磁性层之强制力，HX0＝HCW，即相等于给予之单轴非等向性之非等向性场强度。
磁化之偏转强度系接着同样地为正弦曲线。
在第二例子中(细线描绘之正弦曲线)，HX0＞HCW适用，且磁化达到饱和，因此引起一矩形磁化曲线。
第4图a说明一详细自实施例之TMR胞元数组如一概略电路图。为了写信息到内存，如同在先前技艺之例子中，DC脉冲具有一足够的量且一定义的方向系被经由互相连接传送，在被选择的组件上其彼此交叉。一种用于写的一状况系为组合磁场超过硬磁性层之开关起增点。
被选择的内存胞元之信息内容的读出系藉由一AC电流
IY＝IY0·sinωt
具有一常数振幅IY0经由对应的字符线8来实现，且实现在被选择的内存胞元上彼此交叉的字符8以及位线9之间的电压之分析。非选择的线系自AC电流来源50以及读出电子装置包含一电压测量装置被隔离。
电流IY调变软磁性层11之磁化方向21，因此磁阻电阻RMR正弦改变随着软磁性层11以及硬磁性层10之磁化方向20，21之间相同变化的角度。实际上流经内存组件之电流IMR对强加电流IY系一常数比例如例如第4图a底部所示在电路中额外的电阻被考虑具有一适当的量。横越内存组件掉落之电压系因此
UMR＝C·IY·RMR，
该处C～RL/R0，具有交互连接电阻RL～1kΩ之范例数值，且对于磁阻电阻之平均值R0～100kΩ。
上面等式产生
UMR=c·IYO·sinωt·[R0+12ΔR(1±sinωt)]]]>
UMR=cIYOROsinωt+12cIYOΔRsinωt+12cIYOΔRsin2ωt]]>
UMR＝U1+U2+U3
具有三个被相加之电压分量：
U1=±c4·IYO·ΔR]]>
U2=cIYO[R0+12ΔR]sinωt]]>
其分别代表一常数电压分量U1，基础U2以及一第一谐波的U3。非线性磁阻电阻引起一整流器效应，其导致一DC电压成分U1其记号依赖于磁化方向20在硬磁内存层10且因此依赖于被储存的信息。时间与相依赖有关的量系被说明于第5图中HX0≤HCW的例子中。
电压UMR出现于内存组件中具有不同的振幅于第一以及第二周期一半，结果的DC电压成分之符号藉由硬磁内存层10之磁化方向20来决定。此系说明于第5图分别藉由以粗以及细线描绘的曲线图。
如果一较大磁场HX而该处HCH＞HX0＞HCW系被使用，HCH为硬磁性层之强制力，接着软磁性层11之磁化方向21之磁化成分MX遭遇过度到饱和于X方向，那就是说在位线9的方向。磁化成分MX之一矩形曲线图以及磁阻电阻RMR之矩形曲线图接着形成，如所述。在此例中，讯号可被分解为一较高数量的再谐波。然而，此矩形曲线或随意的其它周期性的间隔讯号亦可被估计依照本发明。
胞元信息内容可有利地被U1之符号决定来推演。平均胞元电阻R0以及磁阻电阻效应ΔR之精确的知识系不需要。第4图a所示电压测量装置系被使用于实施例中的侦测。
电压分量U2无包含关于内存胞元1之内存内容的信息。
相较之下，第一谐波U3具有与基础相比两倍的频率再次包含一符号依赖于硬磁性层10之磁化方向20。如同在U1的例子中，平均胞元电阻R0以及磁阻电阻效应ΔR之精确的知识系不需要。依照本发明，其足以建立关于IY之符号或相角。
由于一强加的正弦曲线AC电流具有振幅IY0＝1mA以及一比率ΔR/R0＝20％，接下来造成电压下降之分量：
U1＝50mV
U2＝1.1V
U3＝50mV
必然地，被侦测之讯号的量系为基本讯号5％的数量级。因此，此一测量系技术上容易可行的。
DC电压分量U1之比例系由AC电压分量U2藉由积分一或一少量震动周期测量期间分离，或者因此从整个讯号UMR衍生。在一AC电流频率100兆赫，在本实施例中测量期间系10奈秒。测量期间可被设计为甚为较短藉由RC-最小化交互连接。另一方面，讯号对噪声比以及因此读出可靠性可经由较长的积分时间被增加。低通过滤器，放大器以及/或比较器在电压测量装置中的使用已读出信息内容系相同地有利于此目的。
第一谐波U3可能被相选择振幅，例如一所谓的锁入技术所侦测。此技术亦提供达成高讯号对噪声比的可能性。
关于一另外实施例类似上面实施例，第4图b图标说明半导体内存之一概略电路图，其中一电压来源51附加一AC电压到字符线8，而一电流测量装置61精由内存胞元测量电流。在一相似的方法中电压讯号的例子，电流名称在此例中包含DC电流，基础以及谐波结果，亦，对于被测量的电流讯号，如在第5图中所示。DC电流以及谐波项目系被标志依赖于硬磁性层10之磁化方向20且，在此实施例中，可与上面实施例比拟，而被读出，接着从整个讯号UMR衍生-例如藉由积分，低通过滤器，比较器，等等-且被估计。
本发明提供更有利的大大地排除寄生效应精由内存组件1之结合在内存胞元数组之电阻基质中。电流经由分流器电阻系大大地被TMR组件之高电阻降低。
为了总和，下列适用于本发明：
在半导体内存2之内存胞元数组中，内存组件或内存胞元2具有一磁阻效应系以一硬磁性内存层10以及一软磁性感应层11为特征，其简单磁化轴30，31互相交叉。硬磁性层10之磁化轴30呈现平行于其所连接的线的状态，例如位线9，以及软磁性层之磁化轴31呈现平行于其所连接的线的状态，例如字符线8。较佳地，具有分别并行线之轴系实质上彼此垂直。
藉由一AC电压51或AC电流来源50，一电压或电流讯号系强加于一分别被选择的线，例如字符线8。软磁性层11之磁化方向21系因此正弦地从简单磁化轴31被偏转。除了强加的讯号，内存胞元之磁阻电阻亦因此改变。依赖于硬磁性层10之磁化方向20，讯号之一同相或非同相添加以及电阻产生，因此例如一标志的DC电压以及一第一谐波可被侦测作为自讯号之分量。符号提供内存信息。
参考符号列表
1内存胞元，内存组件
2半导体内存
8字符线
9位线
10硬磁层
11软磁层
12绝缘层，穿隧氧化物
20硬磁层之磁化方向
21软磁层之磁化方向
30硬磁层之磁化轴
31软磁层之磁化轴
50AC电流来源
51AC电压来源
60电压测量装置
61电流测量装置
