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Die Erfindung bezieht sich auf das
Gebiet der elektronischen Speicherbausteine und insbesondere auf
nichtflüchtige
Speicherelemente, die bei Versorgung mit Strom einen gewünschten
Zustand annehmen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt
die in Anspruch 1 definierte Vorrichtung zur Verfügung.
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Die Vorrichtung kann die Merkmale
eines oder mehrerer abhängiger
Ansprüche
2 bis 15 umfassen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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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:
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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,
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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,
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3 eine
schematische Ansicht eines magnetischen Flipflop-Elements darstellt,
die zur Veranschaulichung Schreibleitungen zeigt, welche die magnetischen
Elemente bedecken,
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4 eine
schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Zweischichten-Wortleitungsstruktur
zum selektiven Schreiben eines gewünschten Zustands in ein magnetisches
Element darstellt,
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5 eine
schematische Ansicht noch einer weiteren Zweischichten-Wortleitungsstruktur
zum selektiven Schreiben eines gewünschten Zustands in ein magnetisches
Element darstellt,
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6A eine
teilperspektivische Seitenansicht eines Pseudospinventil (PSV)-Magnetelements gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, und
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6B eine
Querschnitts-Seitenansicht des Pseudospinventil (PSV)-Magnetelements der 6A veranschaulicht.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die obigen Wortleitungsstrukturen
können einen
magnetischen Rückschluß umfassen,
um das magnetische Feld beim magnetischen Element weiter zu verstärken.
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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).
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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.
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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.