DE69908770T2 - Nichtflüchtiges flip flop - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Speicherbausteine und insbesondere auf nichtflüchtige Speicherelemente, die bei Versorgung mit Strom einen gewünschten Zustand annehmen.
  • Die meisten digitalen elektronischen Geräte verwenden sowohl Logikgatter als auch Speicherelemente, um eine gewünschte Funktion zu implementieren. Die Speicherelemente werden zum Speichern von Ausgangs-, Zwischen- und/oder Enddaten verwendet. Die Logikgatter werden zum Bereitstellen von Daten für die Speicherelemente und/oder zum Empfangen von Daten von den Speicherelementen und zum Durchführen der notwendigen Datenbearbeitung verwendet. In einem typischen digitalen System sind die grundlegenden Memory- oder Speicherelemente bistabile logische Schaltungen, die als Flipflop-Elemente bekannt sind. Es gibt zahlreiche Typen von Flipflop-Elementen, darunter beispielsweise D-Flipflops, RS-Flipflops, JK-Flipflops etc. Diese Flipflop-Elemente werden häufig kombiniert, um verschiedenartige Formen von Flipflops oder anderen Speichereinrichtungen zu bilden.
  • Flipflop-Elemente verwenden typischerweise einen oder mehrere Rückkopplungszweige mit einer geraden Anzahl von Inversionen. Durch Bereitstellen einer geraden Anzahl von Inversionen verstärkt der Rückkopplungszweig den Datenzustand des Flipflop-Elements.
  • Um einen gewünschten Zustand auf das Flipflop-Element zu schreiben, wird der Rückkopplungszweig typischerweise übersteuert oder das Flipflop-Element wird mit einem Schalter ausgestattet. Die grundlegendsten Flipflop-Elemente umfassen ein Paar von kreuzweise gekoppelten Invertierern. Indes gibt es zahlreiche andere bekannte Implementierungen.
  • Konventionelle Flipflop-Elemente leiden unter mehreren Einschränkungen, von denen einige weiter unten beschrieben sind. Zunächst ist der Anfangszustand eines Flipflop-Elements typischerweise unbekannt. Diese Einschränkung kann mehrere Probleme in einer Schaltung oder einem System hervorrufen.
  • Zum Beispiel wird das Freigabesignal von ausgewählten Ausgabepuffern typischerweise entweder direkt oder indirekt vom Zustand eines Flipflop-Elements gesteuert. Da der Zustand der Flipflop-Elemente beim Einschalten unbekannt ist, können einer oder mehrere der Ausgabepuffer gleichzeitig freigegeben werden. Dies ist besonders problematisch, wenn die Ausgabepuffer an einen bidirektionalen Bus gekoppelt sind, wo ein Puffer versuchen kann, einen anderen zu übersteuern, und dadurch merklich Strom zieht und möglicherweise Schäden an ausgewählten Schaltungselementen verursacht.
  • Um dieses und andere Probleme zu lindern, erfordern viele Systeme, dass eine Initialisierungsprozedur kurz nach dem Einschalten ausgeführt wird. Ein Zweck der Initialisierungsprozedur besteht darin, den Zustand von ausgewählten Flipflop-Elementen zu initialisieren. Die Initialisierungsprozedur kann beispielsweise ausgewählte Flipflop-Elemente rücksetzen, um die Ausgabepuffer einer Schaltung oder eines Systems zu sperren. Im Allgemeinen initialisiert die Initialisierungsprozedur ausgewählte Flipflop-Elemente, um das Gerät für die nachfolgenden Abläufe vorzubereiten. Die Notwendigkeit einer Initialisierungsprozedur verlängert die zum Booten des Systems benötigte Zeit. Eine andere verwandte Einschränkung von vielen konventionellen Flipflop-Elementen besteht darin, dass die in ihnen gespeicherten Daten verloren gehen, wenn der Strom ausfällt oder anderweitig unterbrochen wird. Wenn beispielsweise ein PC oder ein anderes Datenverarbeitungssystem stromlos wird, gehen die in den Flipflop-Elementen gespeicherten Daten verloren. Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist, nimmt das Datenverarbeitungssystem einen Anfangszustand an, der mit dem Zustand des Datenverarbeitungssystems vor dem Stromausfall in keiner Beziehung steht. Oft sind viele der Verarbeitungsschritte, die gleichzeitig mit oder vor dem Stromausfall abgeschlossenen waren, verloren oder müssen rekonstruiert und/oder nochmals ausgeführt werden, was eine zeitaufwendige und ermüdende Aufgabe sein kann.
  • In Anwendungen von hoher Zuverlässigkeit kann eine primäre Stromquelle und eine Hilfsstromquelle bereitgestellt sein, um die Wahrscheinlichkeit, dass die Flipflop-Elemente einen Stromausfall erfahren, zu reduzieren. In derartigen Systemen wird eine Hilfsstromquelle verwendet, wenn die primäre Stromquelle ausfällt. Diese Vorgehensweise wird dadurch eingeschränkt, dass ein merklicher Zusatzaufwand, umfassend eine Hilfsstromquelle, ein Mechanismus zum Detektieren einer Verschlechterung der Stromversorgung sowie ein Mechanismus zum Umschalten der Stromversorgung, erforderlich ist. Noch dazu ist die Hilfsstromquelle häufig eine Batterie oder dergleichen mit einer begrenzten Lebensdauer. Daher kann die Hilfsstromquelle, falls die primäre Stromquelle für einen längeren Zeitraum ausfällt, ebenfalls ausfallen, was den Verlust der in den Flipflop-Elementen gespeicherten Daten nach sich zieht.
  • Eine andere Vorgehensweise zur Minimierung des Datenverlustes nach einem Stromausfall besteht in der Führung eines elektronischen Logbuchs für jede dem System zugeleitete Transaktion. In einem derartigen System wird ein elektronisches Logbuch periodisch auf ein nichtflüchtiges Speichermedium, wie beispielsweise ein Magnetband oder eine Festplatte, geschrieben. Das elektronische Logbuch umfasst typischerweise eine Auflistung des Status von jeder Transaktion, die dem Prozessor zugeleitet wird. Wenn der Strom ausfällt, verlieren die Flipflop-Elemente innerhalb des Systems ihre gespeicherten Daten, wie oben beschrieben. Das elektronische Logbuch kann jedoch dazu verwendet werden, diesen Status jeder Transaktion zu rekonstruieren, nachdem die Stromversorgung wiederhergestellt ist. Nur solche Transaktionen, die nicht abgeschlossen und gespeichert wurden, müssen neu verarbeitet werden. Dies kann den Umfang der erforderlichen Datenwiederverarbeitung nach einem Stromausfall deutlich reduzieren. Jedoch ist normalerweise der Zeit- und Ressourcenaufwand beachtlich, der zum Lesen der elektronischen Logbuchdaten und zum Bestimmen des Status einer jeden Transaktion benötigt wird.
  • In einer Veröffentlichung von Delbert Ballard mit dem Titel „Computer Memory Storage Device" (US-Patent Nr. 3573485) wird eine Flipflop-Schaltung offenbart, die aus einem Paar von elektronisch schaltenden Elementen gebildet ist. In die Schaltung mit wenigstens einem dieser Schaltelemente als ein Impedanzkoppler ist ein passives Speicherelement eingebunden. Ein zu speicherndes digitales Signal wird in das passive Speicherelement geschrieben, wodurch sich dessen effektive Impedanz in der Schaltung verändert.
  • In einer Veröffentlichung von James Daughton mit dem Titel „Differential Arrangement Magnetic Memory Cell" (US-Patent Nr. 4751677) wird eine Speicherzelle mit mehreren Speicherstrukturen offenbart. Zwei magnetoresistive Speicherzellen sind in einer bistabilen Schaltung oder einem Flipflop untergebracht. In eine Veröffentlichung von Motorola, Inc. (Europäische Patentanmeldung Nr. 0 776 011 A2) mit dem Titel „Magnetic Memory and Method Therefor" wird ein magnetischer Speicher offenbart, der ein magnetisches Material verwendet, um ein Magnetfeld in einem magnetischen Speicherzellenelement zu konzentrieren.
  • Es wäre daher wünschenswert, ein Flipflop-Element bereitzustellen, das nach dem Einschalten einen gewünschten Zustand annimmt. Dies kann den Bedarf für eine Initialisierungsprozedur reduzieren oder eliminieren. Es wäre auch wünschenswert, ein Flipflop-Element bereitzustellen, das keine Daten verliert, wenn der Strom ausfällt oder anderweitig unterbrochen wird. Dies kann den Bedarf reduzieren, eine Hilfsstromquelle und/oder ein elektronisches Logbuchsystem oder dergleichen bereitzustellen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt die in Anspruch 1 definierte Vorrichtung zur Verfügung.
  • Die Vorrichtung kann die Merkmale eines oder mehrerer abhängiger Ansprüche 2 bis 15 umfassen.
  • Die vorliegende Erfindung überwindet viele der Nachteile des Stands der Technik, indem sie ein bistabiles Flipflop- oder Speicherelement bereitstellt, das nach dem Einschalten einen bekannten Anfangszustand annimmt. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Flipflop-Element bereit, das keine Daten verliert, wenn der Strom ausfällt oder anderweitig unterbrochen ist. Dies wird dadurch erreicht, dass einer oder mehrere magnetische Einrichtungen oder Elemente benachbart zum Flipflop-Element eingebaut werden. Die magnetischen Einrichtungen oder Elemente haben vorzugsweise wenigstens zwei stabile magnetoresistive Zustände. Durch Programmieren der magnetischen Elemente auf geeignete Widerstandswerte können die Flipflop-Elemente einen gewünschten oder bekannten Anfangszustand nach dem Einschalten annehmen. Durch Programmieren der magnetischen Elemente, immer dann, wenn auf das Flipflop-Element während des normalen Funktionsbetriebes geschrieben wird, können die darin gespeicherten Daten nicht verloren gehen, falls der Strom ausfällt oder anderweitig unterbrochen wird.
  • In einem erläuternden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Flipflop- oder Speicherelement über eine Stromquelle mit Strom versorgt und speichert selektiv ein Datenbit, wobei es sich in einem von zwei stabilen Zuständen befindet. Ein erstes magnetisches Element ist zwischen einem ersten Abschnitt des Flipflop-Elementes und der Stromquelle geschaltet. Das erste magnetische Element stellt einen ersten magnetisch programmierbaren Widerstand bereit, der das Flipflop-Element veranlasst, den gewünschten unter den beiden stabilen Zuständen nach Einschalten der Stromversorgung anzunehmen. Ein zweites magnetisches Element kann gleichfalls zwischen einem zweiten Abschnitt des Flipflop-Elements und der Stromquelle zur Bereitstellung eines zweiten magnetisch programmierbaren Widerstands geschaltet sein, welcher von dem ersten magnetisch programmierten Widerstand verschieden sein kann. Das zweite magnetische Element kann dem Flipflop-Element helfen, den gewünschten unter den zwei stabilen Zuständen nach Einschalten der Stromversorgung anzunehmen.
  • Eine an das Flipflop-Element angrenzende Schaltung für die Eingangsspannungsversorgung umfasst sowohl einen ersten Widerstand als auch ein erstes magnetisches Element, wobei der erste Widerstand und ein erstes magnetisches Element in einer ersten Halbbrückenkonfiguration verbunden sind. Die Eingangsspannung wird dann von der Verbindungsstelle des ersten Widerstands und des ersten magnetischen Elements geliefert. Durch Programmieren des ersten magnetischen Elements in der Weise, dass es den geeigneten Widerstandswert aufweist, kann die Eingangsspannung angepasst werden, um den gewünschten Zustand in das Flipflop-Element nach dem anfänglichen Einschalten zu schreiben. Die Schaltung für die Eingangsspannungsversorgung kann des Weiteren einen zweiten Widerstand und ein zweites magnetisches Element umfassen, wobei der zweite Widerstand und das zweite magnetische Element in einer zweiten Halbbrückenkonfiguration verbunden sind. Die Eingangsspannung kann dann zwischen der Verbindungsstelle des ersten Widerstands und des ersten magnetischen Elements und der Verbindungsstelle des zweiten Widerstands und der zweiten magnetischen Einrichtung oder des Elements geliefert werden.
  • Um die Amplitude der Eingangsspannung zu maximieren, wird das erste magnetische Element vorzugsweise auf einen vorbestimmten der beiden magnetisch programmierbaren Widerstandswerte programmiert, und das zweite magnetische Element wird vorzugsweise auf den entgegengesetzten der beiden magnetisch programmierbaren Widerstandswerte programmiert. Dies setzt natürlich voraus, dass sowohl das erste als auch das zweite magnetische Element in aneinandergrenzenden Beinen der entsprechenden Halbbrückenschaltungen angeordnet sind. Eine Auswahlvorrichtung kann zwischen der Schaltung für die Eingangsspannungsversorgung und dem Flipflop-Element angeordnet werden, um die Eingangsspannung selektiv für das Speicherelement zu liefern. Die Auswahlvorrichtung wird vorzugsweise aktiviert, nachdem das Einschalten begonnen hat oder abgeschlossen ist.
  • In jedem der oben veranschaulichten Ausführungsbeispiele können die magnetischen Elemente programmiert werden, indem ein Schreibstrom in die angrenzende Umgebung der entsprechenden magnetischen Elemente geleitet wird. Der Schreibstrom magnetisiert die magnetischen Elemente in einen von zwei stabilen magnetischen Zuständen. Der magnetische Zustand steuert den Widerstandswert des entsprechenden magnetischen Elements. Indem die Richtung des Schreibstroms in Bezug auf das entsprechende magnetische Element geändert wird, kann der magnetische Zustand und damit der Widerstand des magnetischen Elements verändert werden.
  • Wie oben erwähnt, umfassen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowohl erste als auch zweite magnetische Elemente, wobei es wünschenswert ist, das erste magnetische Element auf den einen Zustand zu programmieren (d.h. zu schreiben) und das zweite magnetische Element in den entgegengesetzten Zustand. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die ersten und zweiten magnetischen Elemente unter Verwendung einer einzelnen Schreibleitung in entgegengesetzte Zustände geschrieben. Die einzige Schreibleitung ist so verlegt, dass sie sich dem ersten magnetischen Element aus einer ersten Richtung nähert und dem zweiten magnetischen Element aus einer entgegengesetzten Richtung. In dieser Konfiguration erzeugt ein durch die Schreibleitung fließender Schreibstrom ein magnetisches Feld, welches das erste magnetische Element aus einer ersten Richtung und das zweite magnetische Element aus der entgegengesetzten Richtung schneidet. Entsprechend schreibt der Schreibstrom einen ersten Zustand in das erste magnetische Element und einen entgegengesetzten Zustand in das zweite magnetische Element. Durch Wahl der Richtung des Schreibstroms können die ersten und zweiten magnetischen Elemente in gewünschte, aber entgegengesetzte Zustände geschrieben werden.
  • In einer anderen erläuternden Ausführungsform kann eine Schreibleitung bereitgestellt sein, die zwei getrennte Schichten aufweist. Vorzugsweise wird eine obere Schicht oberhalb des magnetischen Elements und eine untere Schicht unterhalb des magnetischen Elements bereitgestellt. In einer Ausführungsform wird Strom in einer einzigen Richtung, zum Beispiel von links nach rechts, durch eine unter den beiden Schichten ausgesuchte Schicht bereitgestellt. Wird Strom durch die obere Schicht bereitgestellt, wird ein Zustand in das magnetische Element geschrieben. Wird Strom durch die untere Schicht bereitgestellt, dann wird der entgegengesetzte Zustand in das magnetische Element geschrieben.
  • In einer anderen Ausführungsform sind die beiden Schichten auf einer Seite des magnetischen Elements elektrisch verbunden. In dieser Konfiguration fließt der Strom durch die obere Schicht, durch die Verbindung und dann zurück durch die untere Schicht oder umgekehrt. Die von der oberen Schicht und der unteren Schicht bereitgestellten Magnetfelder sind somit additiv, wodurch das Magnetfeld beim magnetischen Element vergrößert und der zum Schalten der Einrichtung erforderliche Strom potentiell verringert wird.
  • In jedem der oben veranschaulichten Ausführungsbeispiele können die magnetischen Elemente Materialien vom AMR-Typ (anisotropic magnetoresistance – anisotropischer Magnetowiderstand), GMR-Typ (giant magnetoresistance – Riesenmagnetowiderstand), CMR-Typ (colossal magnetoresistance – kolossaler Magnetowiderstand), Einrichtungen vom Typ mit spinabhängigem Tunneleffekt, Einrichtungen vom Typ mit Spinventil oder jedes andere magnetische Material oder Einrichtung umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die magnetischen Elemente „Pseudo"-Spinventilstrukturen. Eine Pseudo-Spinventilstruktur umfasst vorzugsweise ein elektrisch leitendes, magnetisch isolierendes Material wie beispielsweise Cu, das zwischen zwei verhältnismäßig harten aktiven ferromagnetischen Schichten wie beispielsweise CoFe angeordnet ist. Die beiden verhältnismäßig harten aktiven ferromagnetischen Schichten umfassen vorzugsweise eine oberste aktive ferromagnetische Schicht und eine unterste aktive ferromagnetische Schicht. Die weicheren Mantelschichten aus Permalloy (NiCoFe) einer konventionellen Spinventilstruktur, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 5595830 von Daughton beschrieben, werden vorzugsweise entfernt.
  • Die oberste aktive ferromagnetische Schicht ist vorzugsweise die Speicherschicht und die unterste aktive ferromagnetische Schicht ist vorzugsweise eine harte Schicht. Damit sich der Magnetisierungsvektor der obersten Speicherschicht in Abhängigkeit von einem Schreibstrom drehen kann, ist die Dicke der obersten Speicherschicht im Verhältnis zur untersten harten Schicht verringert. Der Dickenunterschied der beiden ferromagnetischen Schichten erzeugt ein Differential in den Koerzitivitäten der beiden Schichten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koerzitivität der dünneren Speicherschicht klein genug, damit sich ihr Magnetisierungsvektor in Abhängigkeit von einem Schreibstrom drehen kann. Bei Flipflop-Elementen wird die Koerzitivität der dünneren Speicherschicht außerdem genügend groß gewählt, um die Entmagnetisierungsfelder der untersten harten Schicht daran zu hindern, den Magnetisierungsvektor der Speicherschicht antiparallel zum Magnetisierungsvektor der harten Schicht zu drehen. Durch Entfernen der weicheren Permalloy (NiCoFe)-Mantelschichten von konventionellen Spinventilstrukturen vereinfacht die „Pseudo"-Spinventilstruktur der vorliegenden Erfindung den Filmsatz und damit den Abscheidevorgang, bewahrt das für große GMR-Verhältnisse wesentliche Material mit hohem Moment und erhöht die thermische Stabilität des Bits durch die Verarbeitung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sowie viele der mit ihr verbundenen Vorteile werden ohne Weiteres erkannt und besser verstanden werden, wenn man sie unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile in deren Figuren bezeichnen, und wobei:
  • 1 eine schematische Ansicht einer ersten erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, die eine Programmierer, mit einem konventionellen Flipflop- oder Speicherelement gekoppelte Schaltung für die Eingangsspannungsversorgung umfasst,
  • 2 eine perspektivische Teilansicht eines Flipflop-Elements darstellt, welches zwei über der elektronischen Schaltungsanordnung angebrachte magnetische Elemente gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst,
  • 3 eine schematische Ansicht eines magnetischen Flipflop-Elements darstellt, die zur Veranschaulichung Schreibleitungen zeigt, welche die magnetischen Elemente bedecken,
  • 4 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Zweischichten-Wortleitungsstruktur zum selektiven Schreiben eines gewünschten Zustands in ein magnetisches Element darstellt,
  • 5 eine schematische Ansicht noch einer weiteren Zweischichten-Wortleitungsstruktur zum selektiven Schreiben eines gewünschten Zustands in ein magnetisches Element darstellt,
  • 6A eine teilperspektivische Seitenansicht eines Pseudospinventil (PSV)-Magnetelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und
  • 6B eine Querschnitts-Seitenansicht des Pseudospinventil (PSV)-Magnetelements der 6A veranschaulicht.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1 stellt eine schematische Ansicht einer ersten erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die eine programmierbare Schaltung 10 für die Eingangsspannungsversorgung umfasst, welche mit einem konventionellen Flipflop- oder Speicherelement 12 gekoppelt ist. Die Schaltung 10 für die Eingangsspannungsversorgung versorgt nach dem Einschalten das Flipflop-Element 12 mit einer Eingangsspannung, wobei die Eingangsspannung einen von zwei Zuständen annimmt. Die Schaltung 10 für die Eingangsspannungsversorgung umfasst mindestens ein magnetisches Element, welches wenigstens zwei stabile Zustände hat. Durch Programmieren des magnetischen Elements in der Weise, dass es den geeigneten Widerstandswert aufweist, kann die Eingangsspannung angepasst werden, um den gewünschten Zustand in das Flipflop-Element 12 nach dem anfänglichen Einschalten zu schreiben.
  • Die Schaltung 10 für die Eingangsspannungsversorgung umfasst sowohl einen ersten Widerstand 14 als auch ein erstes magnetisches Element 16, wobei der erste Widerstand 14 und ein erstes magnetisches Element 16 in einer ersten Halbbrückenkonfiguration verbunden sind. Die Eingangsspannung wird dann von der Verbindungsstelle 18 des ersten Widerstands 14 und des ersten magnetischen Elements 16 geliefert. Durch Programmieren des ersten magnetischen Elements 16 in der Weise, dass es den geeigneten Widerstandswert aufweist, kann die Eingangsspannung angepasst werden, um den gewünschten Zustand in das Flipflop-Element 12 nach dem anfänglichen Einschalten zu schreiben.
  • Die Schaltung 10 für die Eingangsspannungsversorgung kann des Weiteren einen zweiten Widerstand 20 und ein zweites magnetisches Element 22 umfassen, wobei der zweite Widerstand 20 und das zweite magnetische Element 22 ebenfalls in einer Halbbrückenkonfiguration verbunden sind. In der gezeigten Ausführungsform bilden der erste Widerstand 14, das erste magnetische Element 16, der zweite Widerstand 20 sowie das zweite magnetische Element 22 eine Vollbrückenkonfiguration.
  • Entsprechend kann die Eingangsspannung zwischen der Verbindungsstelle 18 des ersten Widerstands 14 und des ersten magnetischen Elements 16 und der Verbindungsstelle 24 des zweiten Widerstands 20 und des zweiten magnetischen Elements 22 geliefert werden. Die Eingangsspannung muß hoch genug sein, damit das kreuzweise gekoppelte Invertiererpaar des Flipflop-Elements 12 übersteuert werden kann, um so ein Schreiben zu bewirken.
  • Um die Amplitude der Eingangsspannung zu maximieren, wird das erste magnetische Element 16 vorzugsweise auf einen gewünschten der beiden magnetisch programmierbaren Widerstandszustände programmiert, und das zweite magnetische Element 22 wird auf den entgegengesetzten programmierbaren Widerstandszustand programmiert. Obwohl nicht explizit gezeigt, können die beiden magnetischen Elemente 16 und 22 in den oberen Beinen der Brücke und die beiden Widerstände 14 und 20 in den unteren Beinen der Brücke vorgesehen sein. Ebenso kann der zweite Widerstand 20 an die Stelle des zweiten magnetischen Elements 22 treten und umgekehrt. In dieser letzteren Konfiguration kann die maximale Amplitude der Eingangsspannung durch Programmieren des ersten magnetischen Elements 16 und des zweiten magnetischen Elements 22 auf den gleichen Zustand erreicht werden.
  • Eine Auswahlvorrichtung 28 kann zwischen der Schaltung 10 für die Eingangsspannungsversorgung und dem Flipflop-Element 12 angeordnet sein, um die Eingangsspannung zum Flipflop-Element 12 selektiv zu liefern. Wie gezeigt, kann die Auswahlvorrichtung einen ersten Transistor 30 und einen zweiten Transistor 32 umfassen. Vorzugsweise wird ein Auswahlsignal zu den Steueranschlüssen der Transistoren 30 und 32 geliefert, nachdem der Einschaltvorgang begonnen hat oder abgeschlossen ist.
  • 2 stellt eine perspektivische Teilansicht eines Flipflop-Elements dar, welches eine elektronische Schaltungsanordnung 60 und zwei magnetische Elemente 42 und 44 besitzt, die über der elektronischen Schaltungsanordnung 60 angebracht sind. Die elektronische Schaltungsanordnung 60 umfasst vorzugsweise ausgewählte Metallverbindungsschichten, Verbindungslöcher und Kontakte, die notwendig sind, um die elektronische Schaltungsanordnung mit den magnetischen Elementen 42 und 44 zu verbinden. Durch Versorgung mit den magnetischen Elementen nach Fertigung der Kontakte und Verbindungslöcher können höhere Dichten erzielt werden.
  • 3 stellt eine schematische Ansicht eines magnetischen Flipflop-Elements dar, das zur Veranschaulichung Schreibleitungen aufweist, welche die magnetischen Elemente 42 und 44 bedecken. Die elektronische Schaltungsanordnung 60 ist fiktiv unterhalb der magnetischen Elemente gezeigt. Wie oben mit Bezug auf die 1 angedeutet, sind die magnetischen Elemente 42 und 44 vorzugsweise auf einen gewünschten Zustand programmiert. In einigen Ausführungsformen ist es wünschenswert, die magnetischen Elemente 42 und 44 auf den gleichen Zustand zu programmieren, während es in anderen Ausführungsformen wünschenswert ist, die magnetischen Elemente 42 und 44 auf entgegengesetzte Zustände zu programmieren.
  • Die meisten magnetoresistiven Speicherelemente können in einen von zwei Zuständen geschrieben werden. Dies wird typischerweise durch Bereitstellung einer an die magnetischen Elemente angrenzenden Schreibleitung erreicht, durch die ein Schreibstrom geleitet wird. Der Schreibstrom erzeugt ein magnetisches Feld, der das magnetische Element in einer von zwei Richtungen schneidet. Falls das magnetische Feld das magnetische Element in einer ersten Richtung schneidet, wird das magnetische Element in einen ersten Zustand geschrieben. Falls das magnetische Feld das magnetische Element in einer zweiten Richtung schneidet, wird das magnetische Element in einen zweiten Zustand geschrieben.
  • Mit Bezug insbesondere auf die 3 ist eine erste Schreibleitung 70 über dem ersten magnetischen Element 42 und eine zweite Schreibleitung 72 über dem zweiten magnetischen Element 44 vorgesehen. Ein bei 74 gezeigter fiktiver Kasten kann, abhängig von der gewünschten Schreibkonfiguration, verschiedene Funktionen darstellen. In einer Ausführungsform verbindet der fiktive Kasten 74 einfach die erste Schreibleitung 70 mit der zweiten Schreibleitung 72. Dergestalt kann ein Schreibstrom I1 durch die erste Schreibleitung 70 und zurück durch die zweite Schreibleitung 72 geleitet werden. Unter der Voraussetzung, dass das erste magnetische Element 42 und das zweite magnetische Element 44 jeweils harte Schichten haben, die in die gleiche Richtung magnetisiert sind, beispielsweise von links nach rechts wie bei 77 gezeigt, schreibt der Schreibstrom I 1 einen ersten resistiven Zustand auf das erste magnetische Element 42 und einen entgegengesetzten resistiven Zustand auf das zweite magnetische Element 44. Die Richtung des Schreibstroms kann umgedreht werden, um den auf das erste und zweite magnetische Element 42 und 44 geschriebenen Zustand umzukehren.
  • In einer anderen Ausführungsform kann der fiktive Kasten 74 entweder direkt oder indirekt die erste Schreibleitung 70 und die zweite Schreibleitung 72 mit einer vorbestimmten Spannung, wie beispielsweise Masse, verbinden. In dieser Ausführungsform steuern die erste Schreibleitung 70 und die zweite Schreibleitung 72 unabhängig den Schreibzustand des ersten und des zweiten magnetischen Elements 42 bzw. 44.
  • In noch einer anderen Ausführungsform kann der fiktive Kasten 74 eine Logik oder dergleichen umfassen, um bei der Steuerung des Schreibens auf das erste und zweite magnetische Element 42 und 44 zu helfen. Zum Beispiel kann der fiktive Kasten 74 einen Schalter umfassen, der die erste Schreibleitung 70 und die zweite Schreibleitung 72 selektiv verbindet. Dies kann besonders nützlich sein, wenn das erste Schreibsignal 76 und das zweite Schreibsignal 78 mehr als ein Flipflop-Element versorgen. Der Schalter kann einen Grad an Kontrolle darüber bieten, welche der Flipflop-Elemente während eines speziellen Schreibzyklus beschrieben werden.
  • 4 ist eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Zweischichten-Wortleitungsstruktur zum selektiven Schreiben eines gewünschten Zustands in ein magnetisches Element. Wie oben offenbart, können die magnetischen Elemente programmiert werden, indem ein Schreibstrom in die angrenzende Umgebung der entsprechenden magnetischen Elemente geleitet wird. Der Schreibstrom magnetisiert die magnetischen Elemente in einen von zwei stabilen magnetischen Zuständen. Indem die Richtung des Schreibstroms in Bezug auf den Magnetisierungsvektor der harten Schicht des entsprechenden magnetischen Elements geändert wird, kann der magnetische Zustand des magnetischen Elements verändert werden.
  • Die in der 4 gezeigte Ausführungsform verwendet eine Zweischichten-Wortleitungsstruktur, um einen von zwei Zuständen auf das entsprechende magnetische Element 84 zu schreiben. Die Zweischichten-Wortleitung umfasst eine obere Wortleitung 80 und eine untere Wortleitung 82, wobei die obere Wortleitung 80 oberhalb des magnetischen Elements 84 und die untere Wortleitung 82 unterhalb des magnetischen Elements 84 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform sind die Enden der oberen und unteren Wortleitungen 80 und 82 entweder direkt mit Masse verbunden, wie bei 86 gezeigt, oder indirekt über einen strombegrenzenden Widerstand oder dergleichen mit Masse verbunden (nicht dargestellt). In dieser Konfiguration kann ein erster Treiber 88 einen Schreibstrom 96 durch die obere Wortleitung 80 bereitstellen, der ein zum beispielhaften Magnetisierungsvektor 92 der harten Schicht 94 paralleles Magnetfeld erzeugt, welches einen ersten Zustand auf das magnetische Element 84 schreiben kann. Ein zweiter Treiber 90 kann einen Schreibstrom 98 durch die untere Wortleitung 82 bereitstellen, der ein zum beispielhaften Magnetisierungsvektor 92 der harten Schicht 94 antiparalleles Magnetfeld erzeugt, welches einen entgegengesetzten Zustand auf das magnetische Element 84 schreiben kann. Vorzugsweise ist nur einer der ersten und zweiten Treiber 88 und 90 zu einer gegebenen Zeit aktiv. 5 zeigt eine schematische Ansicht von noch einer weiteren Zweischichten-Wortleitungsstruktur zum selektiven Schreiben eines gewünschten Zustands in ein magnetisches Element. Diese Ausführungsform ähnelt derjenigen der 4, außer dass die obere Wortleitung 80 mit der unteren Wortleitung 82 elektrisch über einen Anschluß verbunden ist, wie bei 100 schematisch veranschaulicht. Um einen ersten Zustand auf das magnetische Element 84 zu schreiben, liefert der erste Treiber 88 einen Schreibstrom 102 zur oberen Wortleitung 80, durch den Anschluß 100 und durch die untere Wortleitung 82 und schließlich zum zweiten Treiber 90. Da die Ströme durch die obere Wortleitung 80 und die untere Wortleitung 82 entgegengesetzte Richtungen haben, addieren sich die dadurch bereitgestellten magnetischen Felder. Dies kann das magnetische Feld beim magnetischen Element 84 bezüglich der in der 4 gezeigten Ausführungsform effektiv verdoppeln, wodurch der zum Schreiben auf das magnetische Element 84 benötigte Schreibstrom potentiell verringert wird. Um den entgegengesetzten Zustand auf das magnetische Element 84 zu schreiben, kann der zweite Treiber 90 einen Schreibstrom 104 zu der unteren Wortleitung 82, durch den Anschluß 100 und durch die obere Wortleitung 80 und schließlich zum ersten Treiber 88 liefern. Wiederum addieren sich die durch den Strom 104 in der unteren Wortleitung 82 und der oberen Wortleitung 80 bereitgestellten magnetischen Felder, wodurch der zum Schreiben auf das magnetische Element 84 benötigte Schreibstrom potentiell verringert wird.
  • Die obigen Wortleitungsstrukturen können einen magnetischen Rückschluß umfassen, um das magnetische Feld beim magnetischen Element weiter zu verstärken.
  • Die magnetischen Elemente sind vorzugsweise unter Verwendung von „Pseudo"-Spinventilstrukturen, wie die in der 6A und der 6B gezeigten, gebildet. Mit speziellem Bezug auf die 6B umfasst die Pseudospinventilstruktur vorzugsweise eine elektrisch leitende, magnetisch isolierende Schicht 110, die zwischen zwei aktiven ferromagnetischen Schichten 112 und 114 angeordnet ist. Die elektrisch leitende, magnetisch isolierende Schicht 110 ist vorzugsweise aus Cu oder dergleichen gebildet, und die beiden aktiven ferromagnetischen Schichten 112 und 114 sind vorzugsweise aus einem harten Material wie beispielsweise CoFe oder dergleichen gebildet. Die weicheren Mantelschichten aus Permalloy (NiCoFe) einer konventionellen Spinventilstruktur (wie beispielsweise im US-Patent Nr. 5595830 von Daughton beschrieben) werden vorzugsweise entfernt, und die unterste CoFe-Schicht ist vorzugsweise direkt auf einer Impfschicht aus Tantal vorgesehen (nicht gezeigt).
  • In der erläuternden Ausführungsform, die in der 6A und der 6B gezeigt wird, ist die oberste aktive ferromagnetische Schicht 112 eine Speicherschicht und die unterste aktive ferromagnetische Schicht 114 eine harte Schicht. Damit der Magnetisierungsvektor der obersten Speicherschicht 112 sich in Abhängigkeit von einem Schreibstrom drehen kann, ist die Dicke der obersten Speicherschicht 112 im Verhältnis zur untersten harten Schicht 114 verringert. Der Dickenunterschied der beiden CoFe-Schichten erzeugt ein Differential in den Koerzitivitäten der beiden Schichten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Koerzitivität der dünneren Speicherschicht 112 genügend groß genug gewählt, um die Entmagnetisierungsfelder der untersten harten Schicht 114 daran zu hindern, den Magnetisierungsvektor 116 der Speicherschicht 112 antiparallel zum Magnetisierungsvektor der harten Schicht 114 zu drehen. Durch Entfernen der weicheren Permalloy (NiCoFe)-Mantelschichten von konventionellen Spinventilstrukturen vereinfacht die „Pseudo"-Spinventilstruktur der vorliegenden Erfindung den Filmsatz und damit den Abscheidevorgang, bewahrt das für große GMR-Verhältnisse wesentliche Material mit hohem Moment und erhöht die thermische Stabilität des Bits durch die Verarbeitung.
  • Somit sind die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei der Fachmann ohne weiteres erkennen wird, dass die hierin enthaltenen Lehren auf noch andere Ausführungsformen innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche angewendet werden können.

Claims (15)

  1. Vorrichtung, umfassend ein Speicherelement, zum Setzen des Speicherelements (12) in einen gewünschten von zwei stabilen Zuständen nach dem Hochfahren einer Spannungsversorgung, wobei das Speicherelement (12) selektiv in den gewünschten der beiden stabilen Zustände setzbar ist, indem es eine Eingangsspannung entgegennimmt, die dem gewünschten der beiden stabilen Zustände entspricht, wobei die Vorrichtung des Weiteren aufweist: eine mit der Spannungsversorgung gekoppelte Einrichtung (10) zur Bereitstellung der Eingangsspannung, wobei die Einrichtung (10) zur Bereitstellung der Eingangsspannung einen ersten Widerstand (14) und eine erste magnetische Einrichtung (16) zur Bereitstellung eines von zwei magnetisch programmierbaren Widerstandswerten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand (14) und die erste magnetische Einrichtung (16) in einer ersten Halbbrückenkonfiguration verbunden sind und die Eingangsspannung von der Verbindungsstelle des ersten Widerstands (14) und der ersten magnetischen Einrichtung (16) bereitgestellt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (10) zur Bereitstellung der Eingangsspannung des Weiteren einen zweiten Widerstand (20) und eine zweite magnetische Einrichtung (22) aufweist, wobei der zweite Widerstand (20) und die zweite magnetische Einrichtung (22) in einer zweiten Halbbrückenkonfiguration verbunden sind und die Eingangsspannung zwischen der Verbindungsstelle des ersten Widerstands (14) und der ersten magnetischen Einrichtung (16) und der Verbindungsstelle des zweiten Widerstands (20) und der zweiten magnetischen Einrichtung (22) bereitgestellt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Speicherelement (12) ein erstes invertierendes Logikelement und ein zweites invertierendes Logikelement aufweist, die miteinander in einer kreuzweise gekoppelten Konfiguration verbunden sind, wobei jedes der ersten und zweiten invertierenden Logikelemente einen ersten und einen zweiten Stromversorgungsanschluss besitzt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste magnetische Einrichtung (16) ein AMR-Material (anisotropic magnetoresistance – anisotropischer Magnetowiderstand) aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste magnetische Einrichtung (16) ein GMR-Material (giant magnetoresistance – Riesenmagnetowiderstand) aufweist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste magnetische Einrichtung (16) ein CMR-Material (colossal magnetoresistance – kolossaler Magnetowiderstand) aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste magnetische Einrichtung (16) ein Element mit spinabhängigem Tunneleffekt aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste magnetische Einrichtung (16) ein Pseudospinventilelement aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren mit einer Programmiereinrichtung zum Programmieren des Widerstandswertes der ersten magnetischen Einrichtung (16).
  10. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste magnetische Einrichtung auf einen vorbestimmten Widerstandswert der beiden magnetisch programmierbaren Widerstandswerte programmiert ist und die zweite magnetische Einrichtung (22) auf den entgegengesetzten der beiden magnetisch programmierbaren Widerstandswerte programmiert ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der programmierbare Widerstandswert der ersten magnetischen Einrichtung (16) zwei stabile Zustände besitzt und die Programmiereinrichtung den Widerstandswert der ersten magnetischen Einrichtung so programmieren kann, dass diese in einem der beiden stabilen Zustände ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Programmiereinrichtung eine von der ersten magnetischen Einrichtung (16) beabstandete Schreibeinrichtung umfasst, um einen der beiden stabilen Zustände in die erste magnetische Einrichtung (16) zu schreiben.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Schreibeinrichtung eine Leitung mit zwei getrennten Schichten (80,82) aufweist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die beiden getrennten Schichten eine obere Schicht (80) oberhalb der magnetischen Einrichtung und eine untere Schicht (82) unterhalb der magnetischen Einrichtung (16) aufweist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die obere Schicht (80) und die untere Schicht (82) auf einer Seite der magnetischen Einrichtung (16) verbunden sind.
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