Ein magnetischer Speicher ("MRAM": magnetic random access me- mory) ist ein nichtflüchtiger Speicher für die Langzeitspei- cherung von Daten.

Eine typische magnetische Speicheranordnung, wie sie bei- spielsweise in Figur 3 gezeigt ist, umfaßt ein Speicherzel- lenfeld, in dem die einzelnen Speicherzellen matrixartig an- geordnet sind. Wortleitungen erstrecken sich entlang den Rei- hen oder Zeilen des Speicherzellenfelds, und Bitleitungen er- strecken sich entlang den Spalten des Speicherzellenfelds. An den Kreuzungspunkten der einzelnen Wort-und Bitleitungen be- finden sich die Speicherzellen, in denen die Information ge- speichert wird.

Eine magnetische Speicherzelle hat üblicherweise einen Auf- bau, bei dem zwei ferromagnetische Schichten durch eine nicht-magnetische Schicht getrennt sind. Das Magnetfeld in der einen ferromagnetischen Schicht (magnetisch harte Schicht) ist fest, während sich die Richtung des Magnetfelds in der anderen ferromagnetischen Schicht (magnetisch weiche Schicht) parallel oder antiparallel dazu einstellen kann.

Diese beiden stabilen Orientierungen, parallel und antiparal- lel, stellen bei der Speicherung von Informationen die logi- schen Werte"0"und"1"dar.

Die Richtung des Magnetfelds in der weichen Schicht in einer ausgewählten Speicherzelle kann durch Anlegen eines Stroms an eine Wortleitung und eine Bitleitung, die sich an der Spei- cherzelle kreuzen, geändert werden. Die Ströme erzeugen Ma- gnetfelder, die, wenn sie kombiniert werden, die Magnetisie-

rungsrichtung der weichen Schicht der ausgewählten Speicher- zelle von parallel zu antiparallel oder umgekehrt umschalten können. Auf alle anderen Speicherzellen entlang der Wort-und der Bitleitung, die sich an der ausgewählten Speicherzelle kreuzen, wirkt ein Magnetfeld, das zum Umschalten der Magne- tisierungsrichtung in der weichen Schicht nicht ausreicht.

Dabei ist in üblichen Speicherzellen die Richtung des durch die Wortleitung fließenden Stroms immer die gleiche, während die Richtung des durch die Bitleitung fließenden Stroms je nach zu schreibender Information verändert wird.

Die Figuren 2A und 2C veranschaulichen die durch die jeweili- gen Ströme verursachten Magnetfelder bei einer herkömmlichen Speicheranordnung, während die Figuren 2B und 2D die Ausrich- tung der Magnetfelder in den ferromagnetischen Schichten dar- stellen. In den Figuren 2B und 2D bezeichnet Bezugszeichen 1 jeweils die harte'magnetische Schicht, und Bezugszeichen 2 bezeichnet jeweils die weiche magnetische Schicht.

In Figur 2A entspricht die Richtung des durch die Bitleitung fließenden Stroms einer logischen"0", während sie in Figur 2C einer logischen"1"entspricht. WL gibt dabei das durch den durch die Wortleitung fließenden Strom erzeugte Magnet- feld an, während BLo beziehungsweise BL1 das durch den durch die Bitleitung fließenden Strom erzeugte Magnetfeld angibt.

Ho und H1 geben jeweils das aus der Überlagerung der beiden Magnetfelder sich ergebende Magnetfeld an.

Somit liegt in Figur 2B ein paralleler Zustand der Magnetfel- der in den beiden Schichten vor, während in Figur 2D ein an- tiparalleler Zustand der Magnetfelder in den beiden Schichten vorliegt.

Entsprechend der Ausrichtung des Magnetfelds in der weichen Schicht der ausgewählten Speicherzelle weist die Speicherzel- le senkrecht zu den Schichtebenen unterschiedliche Wider-

standswerte auf. Die in einer Speicherzelle gespeicherte In- formation kann somit durch Bestimmen des Widerstands senk- recht zu den Schichtebenen ausgelesen werden.

Problematisch bei magnetischen Speicherzellen sind alterungs- bedingte Beeinträchtigungen. Beispielsweise tritt der Effekt auf, daß nach längerer Benutzung auch nicht ausgewählte Spei- cherzellen durch Einschalten eines Stroms an der Wortleitung umgeschaltet werden und nach Abschalten des Stroms nicht wie- der in ihre Ausgangslage zurückkehren. Ebenfalls ist der Ef- fekt bekannt, daß Speicherzellen, die mehrfach mit einer"1" beschrieben wurden, beim Einschreiben einer"0"dennoch eine "1"speichern. Darüber hinaus ist bekannt, daß nach längerer Benutzung sogar die Magnetisierungsrichtung der magnetisch harten Schicht verändert werden kann, was ebenfalls zu feh- lerhafter Informationsspeicherung führt.

Aus der US-A-6,111,783 ist eine magnetische Speicherzellenan- ordnung bekannt, bei der beim Schreiben von Information die Stärke des Stroms durch die Wortleitungen größer als die Stärke des Stroms durch die Bitleitungen ist. Dadurch wird einerseits vermieden, daß das Magnetfeld in der weichen Schicht von nicht ausgewählten Speicherzellen umgeschaltet wird, andererseits wird dadurch auch der Energieverbrauch der Speicherzelle verringert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Speicheranordnung zu schaffen, bei der die vor- stehend genannten Alterungserscheinungen verringert sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine magnetische Speicheranordnung mit einem Zellenfeld aus magne- tischen Speicherzellen, die entlang einer ersten und einer dazu kreuzenden zweiten Richtung angeordnet sind, einer Viel- zahl von elektrischen Leitungen entlang der ersten Richtung, einer Vielzahl von elektrischen Leitungen entlang der zweiten Richtung, wobei die magnetischen Speicherzellen jeweils an

den Kreuzungspunkten der elektrischen Leitungen angeordnet sind, einer ersten Stromversorgungseinrichtung, um jeweils ausgewählte elektrische Leitungen entlang der ersten Richtung mit Strom zu versorgen, einer zweiten Stromversorgungsein- richtung, um jeweils ausgewählte elektrische Leitungen ent- lang der zweiten Richtung mit Strom zu versorgen, wobei die zweite Stromversorgungseinrichtung ausgebildet ist, die Rich- tung dieses Stroms entsprechend einer zu schreibenden Infor- mation einzustellen, wobei die erste Stromversorgungseinrich- tung ausgebildet ist, die Richtung des Stroms umzuschalten, gelöst.

Es läßt sich durch eine einfache Änderung der Richtung des durch die Wortleitung fließenden Stroms der Effekt vermeiden, daß nicht ausgewählte Speicherzellen durch das Magnetfeld der Wortleitung umgeschaltet werden.

Normalerweise wird durch das durch den durch die Wortleitung fließenden Strom verursachte Magnetfeld die weiche magneti- sche Schicht der Speicherzelle aus ihrer stabilen Lage ausge- lenkt und dann durch das Magnetfeld, welches durch den durch die Bitleitung fließenden Strom verursacht wird, entweder in die entgegengesetzte stabile Lage oder in seine Ausgangslage geschaltet. Bei Zellen, die kein Bitleitungsfeld, d. h.

Schaltfeld, sehen, wird erwartet, daß sie zwar vom angelegten Wortleitungsfeld ausgelenkt (enabled) werden, dann jedoch wieder in ihre Ausgangslage zurückkippen. Bei mehrfacher Wie- derholung dieses Vorgangs kann es vorkommen, daß nicht mehr alle Domänen in ihre Ruhelage zurückkehren. Durch Umdrehen der Richtung des durch die Wortleitung fließenden Stroms wird dieser Effekt vermieden.

Die Figuren 1A und 1C veranschaulichen die durch die jeweili- gen Ströme verursachten Magnetfelder bei der erfindungsgemä- ßen Speicheranordnung, während die Figuren 1B und 1D die Aus- richtung der Magnetfelder in den ferromagnetischen Schichten darstellen. In den Figuren 1B und 1D bezeichnet Bezugszeichen

1 jeweils die harte magnetische Schicht, und Bezugszeichen 2 bezeichnet jeweils die weiche magnetische Schicht.

In Figur 1A entspricht die Richtung des durch die Bitleitung fließenden Stroms einer logischen"0", während sie in Figur 1C einer logischen"1"entspricht. WL gibt dabei das durch den durch die Wortleitung fließenden Strom erzeugte Magnet- feld an, während BLo beziehungsweise BLl das durch den durch die Bitleitung fließenden Strom erzeugte Magnetfeld angibt.

Holt Ho2 und Hll, H12 geben jeweils das aus der Überlagerung der beiden Magnetfelder sich ergebende Magnetfeld an.

Unabhängig von der Richtung des durch die Wortleitung flie- ßenden Stroms und damit der entsprechenden Richtung des Ma- gnetfelds in dieser Ebene liegt in Figur 1B ein paralleler Zustand der Magnetfelder in den beiden Schichten vor, während in Figur 1D ein antiparalleler Zustand der Magnetfelder in den beiden Schichten vorliegt.

Genauer gesagt kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Bit- leitung in herkömmlicher Weise ein Strom eingeprägt werden, dessen Richtung allein durch die zu schreibende Information vorgegeben ist, während die Richtung des durch die Wortlei- tung fließenden Stroms beliebig, das heißt unabhängig von der zu schreibenden Information, umgeschaltet wird.

Weiterhin kann durch die Umschaltung der Richtung des durch die Wortleitung fließenden Stroms der nachteilige Effekt ver- mieden werden, daß die Magnetisierungsrichtung der magnetisch harten Schicht verändert wird.

Insgesamt ist als allgemeines Prinzip festzustellen, daß durch eine Erhöhung der Isotropie der Betriebsbedingungen Al- terungserscheinungen, bei denen der Zustand einer Speicher- zelle von ihrer Vergangenheit abhängt, verringert werden kön- nen.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß durch die beliebige Umschaltung der Richtung des Stroms durch die Wortleitung Elektromigrationseffekte vermieden werden können. Insbesondere bei Aluminium-Leiterbahnen tritt eine Materialwanderung in Leiterbahnen unter dem Einfluß eines elektrischen Stromflusses auf. Die physikalische Ursache für den Materialtransport sind Stöße von bewegten Elektronen mit den positiven Metallionen des Kristallgitters. Der Material- transport erfolgt somit stets in Richtung des Elektronenflus- ses und entgegen der technischen Stromrichtung. Wird die Stromrichtung wie bei der vorliegenden Erfindung öfters umge- kehrt, so läßt sich diese Materialabwanderung, die ansonsten zu einer Unterbrechung der Leiterbahn führen könnte, vermei- den.

In Weiterbildung des Erfindungskonzepts können mehrere Lagen von Speicherzellen übereinander angeordnet werden. Eine erste Speicherzelle ist oberhalb einer Leitung, die in die erste Richtung verläuft, angeordnet. Darüber ist eine Leitung ange- ordnet, die in die zweite Richtung verläuft. Wiederum darüber befindet sich eine weitere Speicherzelle, oberhalb derer eine Leitung angeordnet ist, die in die erste Richtung verläuft.

Die zwischen den beiden Lagen magnetischer Speicherzellen an- geordnete Leitung ist mit der die Richtung des Stroms um- schaltenden Stromversorgungseinrichtung verbunden. Die mitt- lere Leitungsebene übernimmt dabei die Enable-Funktion für die darüber bzw. darunter angeordnete Speicherzellenlage.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die be- gleitenden Zeichnungen näher erläutert werden.

Figur 1A und Figur 1C veranschaulichen die bei der erfin- dungsgemäßen magnetischen Speicheranordnung durch die jeweiligen Ströme verursachten Magnetfelder ;

Figur 1B und Figur 1D stellen entsprechend die Ausrichtung der Magnetfelder in den ferromagnetischen Schichten dar ; Figur 2A und Figur 2C veranschaulichen die bei der bekannten magnetischen Speicheranordnung durch die jeweiligen Ströme verursachten Magnetfelder ; Figur 2B und und Figur 2D stellen entsprechend die Ausrich- tung der Magnetfelder in den ferromagnetischen Schichten dar ; Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau einer magnetischen Speicheranordnung ; Figur 4A veranschaulicht eine erste beispielhafte Ausgestal- tung der ersten Stromversorgungseinrichtung ; Figur 4B veranschaulicht eine zweite beispielhafte Ausgestal- tung der ersten Stromversorgungseinrichtung ; und Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit zwei übereinander angeordneten Lagen magnetischer Speicherzellen.

In Figur 3 ist beispielhaft der Aufbau einer magnetischen Speicheranordnung mit 16 Speicherzellen und jeweils 4 Wort- und Bitleitungen dargestellt. Magnetische Speicheranordnungen weisen üblicherweise wesentlich mehr, beispielsweise mehrere 10000 Speicherzellen auf. Die Anzahl der Wortleitungen muß dabei nicht gleich der Anzahl der Bitleitungen sein.

Bezugszeichen 3a bis 3d bezeichnen jeweils die Wortleitungen, und Bezugszeichen 4a bis 4d bezeichnen jeweils die Bitleitun- gen. An den Kreuzungspunkten zwischen jeder Wortleitung und jeder Bitleitung befinden sich die magnetischen Speicherzel- len 5aa bis 5dd. Für die Stromversorgung der Wortleitungen

ist eine erste Stromversorgungseinrichtung 6 vorgesehen, und für die Stromversorgung der Bitleitungen ist eine zweite Stromversorgungseinrichtung 7 vorgesehen.

Zum Schreiben von Information in eine einzelne ausgewählte Speicherzelle, beispielsweise Speicherzelle 5ba, fließt zu- nächst durch die Wortleitung 3b ein Strom, welcher ein be- stimmtes Magnetfeld verursacht. Sodann fließt durch die Bit- leitung 4a ein Strom, welcher ebenfalls ein bestimmtes Ma- gnetfeld verursacht. Die Ausrichtung dieses Magnetfelds und damit die Richtung dieses Stroms entspricht dabei der zu schreibenden Information, so daß die freie magnetische Schicht in Speicherzelle 5ba entsprechend der zu schreibenden Information entweder in die Ausgangslage oder die dazu entge- gengesetzte Lage geschaltet wird.

Nach Abschalten der jeweiligen Ströme kehren die Speicherzel- len entlang der Wortleitung 3b sowie entlang der Bitleitung 4a, die nicht der ausgewählten Speicherzelle 5ba entsprechen, wieder in ihre Ausgangslage zurück. Demgegenüber verbleibt die Magnetisierungsrichtung der weichen magnetischen Schicht in der ausgewählten Speicherzelle 5ba in dem eingestellten Zustand. Die ausgewählte Speicherzelle 5ba speichert somit die eingeschriebene Information, welche durch Bestimmung des Widerstands senkrecht zur Richtung der ferromagnetischen Schichten anschließend wieder ausgelesen werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun die erste Stromver- sorgungseinrichtung derart ausgestaltet, daß sie die Richtung des durch die Wortleitung fließenden Stroms beliebig umschal- ten kann. Insbesondere kann sie beispielsweise eine Zählein- richtung 61 umfassen, die die Anzahl der Zugriffe auf jede einzelne Wortleitung zählt und nach einer bestimmten Anzahl die Stromrichtung umkehrt. Beispielsweise kann die Stromrich- tung nach jedem oder nach jedem zweiten Zugriff auf eine be- stimmte Wortleitung verändert werden.

Dadurch wird der vorteilhafte Effekt erzielt, daß Alterungs- erscheinungen der Speicherzellen vermieden werden können, insbesondere, daß die nicht ausgewählten Speicherzellen, die an einer Wort-oder Bitleitung liegen, durch die Strom fließt, nach Abschalten des Stroms wieder in ihre Ausgangsla- ge zurückkehren.

Die Figuren 4A und 4B veranschaulichen beispielhaft eine er- ste und eine zweite Ausgestaltung der ersten Stromversor- gungseinrichtung 6. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 3 eine be- liebige der Wortleitungen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die erste Stromversor- gungseinrichtung derartig realisiert werden, daß sie für jede Wortleitung jeweils zwei Inverter 8,9, wobei die Wortleitung 3 zwischen den Ausgängen der beiden Inverter angeordnet ist, sowie eine Steuereinrichtung 14 umfaßt, die je nach gewünsch- ter Stromrichtung den Eingängen der beiden Inverter jeweils eine logische"1"und/oder"0"zuführt. Liegt am Eingang A des Inverters 8 eine logische"1"an und am Eingang B des In- verters 9 eine logische"0", so ist die Stromrichtung I2 von Inverter 9 zu Inverter 8 gerichtet. Im umgekehrten Fall fließt ein Strom I1 von Inverter 8 zu Inverter 9. Liegen an beiden Eingängen A, B identische Signale jeweils"1"oder"0" an, so fließt kein Strom, d. h. die Wortleitung ist nicht aus- gewählt. Es liegt ein niedriger Pegel oder ein hoher Pegel im Ruhezustand (Standby) an. Die Funktion der Stromversorgungs- einrichtung kann wie folgt zusammengefaßt werden : A B Strom 1 0 12 0 1 I1 1 1 Standby"0" 0 0 Standby"1"

Somit kann je nachdem, welchen Spannungspegel die Steuerein- richtung den beiden Invertern zuführt, die Stromrichtung in- nerhalb der Wortleitung variiert werden.

Alternativ kann die erste Stromversorgungseinrichtung 6 rea- lisiert werden, indem die erste Stromversorgungseinrichtung für jede Wortleitung jeweils zwei Spannungsquellen 10,11, zwei Auswahltransistoren 12,13 sowie eine Steuereinrichtung 15 umfaßt. Die Auswahltransistoren 12,13 können beispiels- weise n-Kanal-MOSFETs sein, die je nach Anforderung einen ge- eigneten Strom für die Wortleitung liefern und mit einer Ein- richtung zur Strombegrenzung ausgestattet sind. Die Steuer- einrichtung 15 steuert die erste und die zweite Spannungs- quelle 10,11 derart, daß die erste Spannungsquelle 10 ein hohes und die zweite Spannungsquelle 11 eine niedrige Span- nung oder umgekehrt liefern, und die Steuereinrichtung 15 schaltet die beiden Auswahltransistoren entweder auf"lei- tend"oder auf"nicht leitend".

Auch hier kann, je nachdem, welchen Spannungspegel D bzw. E jeweils die beiden Spannungsquellen 10,11 zuführen, die Stromrichtung innerhalb der Wortleitung 3 variiert werden.

Stellt die Spannungsquelle 10 eine hohe Spannung D und die Spannungsquelle 11 eine niedrige Spannung E bereit, so ist die Stromrichtung I1 von Spannungsquelle 10 zu Spannungsquel- le 11 gerichtet, sofern beide Auswahltransistoren 12,13 durch das Signal C auf"leitend"geschaltet sind. Die gesteu- erten Strecken der Transistoren 12,13 sind einerseits an die Spannungsquellen 10,11 angeschlossen und andererseits an die Wortleitung 3. Der Steueranschluß der Transistoren 12,13 wird jeweils von einen Steuersignal C gesteuert, welches die Transistoren leitend oder gesperrt steuert. Bei umgekehrter Verteilung der Spannungen D, E an den Spannungsquellen 10,11 fließt der Strom I2 in der umgekehrten Richtung. Sind beide Auswahltransistoren 12,13 auf"gesperrt"geschaltet, fließt kein Strom, und die Wortleitung ist nicht ausgewählt. Die

Funktion der Schaltung in Figur 4B kann wie folgt zusammenge- faßt werden : C D E Strom 1 1'0 I1 1 0 1'I2 Der logische Pegel"1"beträgt beispielsweise 3 Volt. Der lo- gische Pegel"0"beträgt beispielsweise 0 Volt. Der logische Pegel"1"'beträgt beispielsweise 1,8 Volt. Für das gezeigte Beispiel in der Figur 4B sind n-Kanal-Feldeffekttransistoren 12,13 verwendet. Das Signal C muß deshalb bei einer logi- schen"1"ein höheres Potential aufweisen als die bereitge- stellten Spannungen D oder E.

In Abhängigkeit von der Zähleinrichtung 61 (Figur 3) wird nach einer vorgegebenen Anzahl von Zugriffen die Stromrich- tung auf einer aktivierten Wortleitung umgekehrt. Der Zähler- stand wird mit jedem Zugriff verändert, z. B. inkrementiert, und in Abhängigkeit vom Zählerstand wird die Ansteuerung der Inverter in Figur 4A durch die Signale A, B umgekehrt, oder die Spannungen D, E in Figur 4B werden umgekehrt.

In der Figur 5 ist eine weitere Ausführung der Erfindung mit zwei Lagen von Speicherzellen 51,52 gezeigt. Die untere Ebe- ne der Speicherzellen, umfassend die Speicherzelle 51, ist zwischen der Bitleitung 53 und der Wortleitung 54 angeordnet.

Die Bitleitung 53 verläuft in die erste, senkrecht zur Zei- chenebene stehende Richtung. Die Wortleitung 54 verläuft senkrecht dazu in die zweite Richtung, also parallel zur Zei- chenebene. Oberhalb der Wortleitung 54 ist eine weitere mag- netische Speicherzelle 52 angeordnet. Darüber verläuft wie- derum eine Bitleitung 55 in die erste Richtung, also senk- recht zur Zeichenebene. Die mittlere der Leitungen, also die Wortleitung 54 ist diejenige, die von der Stromumkehrung be- troffen ist. Die Leitung 54 ist an die Stromversorgungsein- richtung 6 angeschlossen, um bei aufeinanderfolgenden Akti- vierungen entsprechend der oben angegebenen Ausführungen zur Erfindung umgeschaltet zu werden.

Bezugszeichenliste 1 magnetisch harte Schicht 2 magnetisch weiche Schicht 3 Wortleitung 3a bis 3d Wortleitungen 4a bis 4d Bitleitungen 5aa bis 5dd magnetische Speicherzellen 6 erste Stromversorgungseinrichtung 61 Zähleinrichtung 7 zweite Stromversorgungseinrichtung 8,9 Inverter 10,11 Spannungsquellen 12,13 Auswahltransistoren 14,15 Steuereinrichtungen A, B, C Steuersignale D, E Spannungen