DE10113787C1

DE10113787C1 - Logikschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE10113787C1
Application number: DE2001113787
Authority: DE
Inventors: Ralf Richter; Joachim Wecker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2021-03-22

Abstract

Logikschaltungsanordnung, mit mindestens einem magnetoresistiven Element mit einer hartmagnetischen und einer weichmagnetischen Schicht, dem ein Leiter mit mindestens zwei Signalanschlüssen zugeordnet ist, mittels dem im stromdurchflossenen Zustand ein auf das magnetoresistive Element einwirkendes Magnetfeld erzeugbar ist, mittels dem die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements umschaltbar ist, wobei das magnetoresistive Element (2) wenigstens eine magnetische Schicht (8) aufweist, die ein im Wesentlichen parallel oder antiparallel zur leichten Richtung (L) der weichmagnetischen Schicht (4) stehendes magnetisches Offset-Feld (H¶offset¶) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Logikschaltungsanordnung, mit mindestens einem magnetoresistiven Element mit einer hartmag netischen Schicht und einer weichmagnetischen Schicht, dem ein Leiter mit mindestens zwei Signalanschlüssen zugeordnet ist, mittels dem im stromdurchflossenen Zustand ein auf das magnetoresistive Element einwirkendes Magnetfeld erzeugbar ist, mittels dem die Magnetisierung einer weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements umschaltbar ist.

Aus der Veröffentlichung "Programmable logic using giant magnetoresistance and spin-dependent tunneling devices (invi ted)" von William C. Black, Jr. and Bodhisattva Das, Journal of applied physics, Band 87, Nr. 9 vom 01.05.2000, ist eine feldprogrammierbare Logikschaltungsanordnung bekannt, welche mehrere magnetoresistive Elemente und zugeordnete Referenz- Elemente umfasst. Der Typ der Logikschaltung, ob es sich also um eine Schaltung mit einer OR-, NOR-, AND- oder NAND- Funktion handelt, wird durch entsprechende Programmierung eingestellt, wozu man sich der harten und der weichen Schicht der magnetoresistiven Elemente, also der Referenz-Schicht, bedient, an die ein entsprechender Strom angelegt wird, der zur Ausrichtung derselben dient. Die Funktionsart wird durch die jeweilige Einstellung an einem magnetoresistiven Element sowie seinem zugeordneten Referenzelement definiert.

Zum einen ist die Art der Funktionsprogrammierung aufwendig, zum anderen sind hierfür jeweils mindestens drei Elemente er forderlich, um ein Logikgrundelement zu bilden.

Aus der DE 43 26 999 A1 ist eine Vorrichtung zum magnetfeld gesteuerten Schalten zu entnehmen, bei der die Magnetisierung einer weichmagnetischen Schicht eines GMR-Schichtensystems mit Hilfe eines externen, von einer Schaltmagnetfeldquelle wie z. B. einem Magneten oder einer Magnetspule erzeugten Mag netfeldes zu drehen/zu schalten ist. Die vorgenannten Logik- Funktionen sind dabei nicht ohne weiteres mit einer einzigen derartigen Vorrichtung zu realisieren.

Aus der US 6,034,887 geht ferner ein magnetoresistives Schichtensytem mit einer Tunnelbarrierenschicht hervor, mit dem eine Logik-Schaltunganordnung mit den eingangs genannten Merkmalen aufzubauen ist. Verschiedene Ausgestaltungsmöglich keiten von Logik-Schaltungsanordnungen unter Verwendung sol cher magnetoresistiver Schichtensysteme sind aus "Journ. Appl. Phys.", Vol. 87, No. 9, 1.5.2000, Seiten 6674 bis 6679 zu entnehmen.

Ferner ist aus der nicht-vorveröffentlichten DE 100 53 206 C1 eine Logikschaltungsanordnung der eingangs genannten Art be kannt, bei der mindestens ein weiterer bestrombarer Leiter vorgesehen ist, mittels dem bedarfsabhängig ein im Wesentli chen senkrecht zur Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht stehendes weiteres Magnetfeld erzeugt werden kann. Dieses senkrecht stehende weitere Magnetfeld ermöglicht es, bedarfsabhängig die Koerzitivfeldstärke der weichmagnetischen Speicherschicht zu variieren. Liegt kein senkrecht stehendes Magnetfeld an, so ist die zum Umschalten erforderliche Koer zitivfeldstärke hoch, das heißt, es müssen an beiden Signal anschlüssen entsprechende Signale anliegen, so dass additiv ein hinreichend hoher Strom über den Leiter fließt, der ein hinreichend hohes Magnetfeld erzeugt, das eine Feldstärke be sitzt, die gleich oder größer der Koerzitivfeldstärke ist. In diesem Fall ist eine AND-Logik realisiert. Wird nun das senk recht stehende Magnetfeld erzeugt, so verringert sich die Koerzitivfeldstärke. Zum Drehen ist es dann bereits ausrei chend, wenn lediglich ein Signal und damit nur der halbe Strom über den Leiter fließt, das heißt, es ist ein niedriges Feld zum Umschalten ausreichend. In diesem Fall wäre eine OR- Funktion realisiert, da jedes der Signale individuell zum Schalten ausreicht.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine feldprogram mierbare Logikschaltung anzugeben, bei der auf einfache Weise die Funktion eingestellt werden kann.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Logikschaltungsan ordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgese hen, dass das magnetoresistive Element wenigstens eine weitere magnetische Schicht aufweist, die ein auf die Magne tisierung der weichmagnetischen Schicht einwirkendes magneti sches Offset-Feld erzeugt.

Über das in beliebiger Richtung zur Magnetisierung der weich magnetischen Schicht stehende Offset-Feld kann das Schaltver halten des Logikelements je nach Feldausrichtung beeinflusst werden.

Das über die erfindungsgemäß vorgesehene weitere magnetische Schicht erzeugbare magnetische Offset-Feld kann entweder im Wesentlichen parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht gerichtet sein. Das heißt, je nach dessen Ausrichtung wirkt es unterstützend und damit die Koerzitivfeldstärke, die zum Drehen der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht in die leichte Richtung erforder lich ist, erniedrigend (bei paralleler Ausrichtung). Oder das Offset-Feld erhöht die erforderliche Koerzitivfeldstärke im Falle einer antiparallelen Ausrichtung. Aufgrund der hier durch erreichbaren programmierungsabhängigen Einstellmöglich keit der Koerzitivfeldstärke kann folglich festgelegt werden, ob zum Drehen der Magnetisierung beispielsweise in die leich te Richtung der weichmagnetischen Schicht, die in er Regel parallel zur Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht steht, bereits ein an dem Leiter anliegendes Signal ausrei chend ist (OR-Funktion), oder ob beide Signale additiv gege ben werden müssen (AND-Funktion). Anders als bei der in der nicht-vorveröffentlichten DE 100 53 206 C1 beschriebenen Aus führungsform mit dem senkrecht zur Magnetisierung stehenden Feld, das zu einer schmäleren Hysterese führt, ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Logikschaltungsanordnung eine Ver schiebung der Hysterese je nach Ausrichtung des Offset-Felds zu höheren oder niedrigeren Koerzitivfeldstärken, wobei die Breite der Hysterese jedoch im Wesentlichen gleich bleibt. Ferner kann das Offset-Feld auch im Wesentlichen senkrecht zur Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht stehen. In diesem Fall kommt es zu einer Verschmälerung der Hysterese, wie in der nicht-vorveröffentlichten DE 100 53 206 C1 be schrieben, jedoch mit dem Vorteil, dass dieses Feld dauerhaft anliegt und nicht durch kontinuierliche Bestromung eines Lei ters erzeugt werden muss.

Insgesamt ist mit der erfindungsgemäßen Logikschaltungsanord nung mit der seitens des magnetoresistiven Elements vorgese henen zusätzlichen magnetischen Schicht zur Erzeugung des Offset-Felds eine einfache Programmierung der gesamten Logikschaltung möglich, da sie lediglich durch entsprechende Ein stellung bzw. Ausrichtung der Magnetisierung der magnetischen Schicht zur Erzeugung des Offset-Felds in ihrer Funktion pro grammiert werden kann.

Zur einfachen Einstellung der Magnetisierung der magnetischen Schicht und damit zur Definierung der Richtung des Offset- Felds (z. B. parallel, antiparallel oder senkrecht) ist es be sonders zweckmäßig, wenn die Magnetisierung der magnetischen Schicht durch wenigstens ein externes Magnetfeld einstellbar ist. Zur parallelen oder antiparallelen Ausrichtung erfolgt dies zweckmäßigerweise durch ein vom stromdurchflossenen Lei ter erzeugtes Magnetfeld. Das heißt, zum Programmieren der Logikschaltungsanordnung ist lediglich ein hinreichend hoher Strom über den stromdurchflossenen Leiter zu führen, der so bemessen ist, dass die hierdurch erzeugte Feldstärke größer ist als die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht, um eine vom Vorzeichen des Stroms und damit der Richtung des er zeugten Magnetfelds abhängige Einstellung der Magnetisierung der magnetischen Schicht vorzunehmen. Die Steuerung der Bestromung des Leiters kann durch eine externe Logiksteuerung erfolgen, die bei einer arrayartigen Ausbildung der Logik schaltungsanordnung mit einer Vielzahl weiterer magnetore sistiver Elemente mit zugeordneten Leitern natürlich die Pro grammierung sämtlicher einzelner Logikschaltungselemente steuert.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht größer als die maximale Feldstärke des zum Schalten der weichmagneti schen Schicht erzeugbaren Magnetfelds ist. Das heißt, die ma ximale Feldstärke des bei Signalgabe über den Leiter erzeug ten Magnetfelds ist stets kleiner als die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht, so dass eine Umprogrammierung der magnetischen Schicht und damit des Offset-Felds im normalen Schalt- oder Speicherbetrieb, wenn eben Signale über den Lei ter geführt werden, ausgeschlossen ist. Die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht sollte deutlich größer sein als die maximale Feldstärke des Schaltfelds, z. B. we nigstens um einen Faktor zwei, wobei die Wahl der jeweiligen Feldstärken jedoch im Belieben des Fachmanns steht. Die ge naue Wahl der Feldstärke ist experimentell möglich.

Ferner kann in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgese hen sein, dass die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht kleiner ist als die Koerzitivfeldstärke einer hart magnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements. Bekann termaßen verfügt jedes magnetoresistive Element über eine hartmagnetische Referenz- oder Biasschicht, die ein zentraler Teil eines magnetoresistiven Elements ist. Abhängig von der Stellung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schalt- o der Speicherschicht des magnetoresistiven Elements zur Magne tisierung der hartmagnetischen, stabilen und in ihrer Rich tung während des normalen Betriebs nicht geänderten Schicht bestimmt sich der Widerstand des magnetoresistiven Elements und damit die Höhe der abgreifbaren Ausgangssignale. Die Funktionsweise derartiger magnetoresistiver Elemente ist be kannt, hierauf muss nicht näher eingegangen werden.

Nach der genannten Erfindungsausgestaltung ist nun sicherge stellt, dass die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht kleiner ist als die der hartmagnetischen Schicht. Das heißt, die Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht wird beim Programmieren der magnetischen Schicht von dem hierfür er zeugten Magnetfeld nicht beeinflusst. Auch hier sollte die Koerzitivfeldstärke der hartmagnetischen Schicht deutlich größer sein als die der magnetischen Schicht, z. B. um einen Faktor 10.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Logikschaltungsan ordnung eine Vielzahl von arrayartig angeordneten magnetore sistiven Elementen mit zugeordneten Leitern aufweist, das heißt, sie ist als großes, eine hohe Kapazität aufweisendes Logikarray ausgebildet. Zur Steuerung des Arrays hinsichtlich der Programmierung ist wie bereits beschrieben eine externe Steuerungseinrichtung vorgesehen, die die Programmierfelder zeugung steuert.

Die magnetoresistiven Elemente selbst können als GMR-(giant magnetoresistiv) oder TMR-(tunneling magnetoresistiv)Senso ren ausgebildet sein.

Ferner kann erfindungsgemäß wenigstens ein weiterer Leiter vorgesehen sein, mittels dem ein im Wesentlichen senkrecht zur Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht stehendes Magnetfeld erzeugbar ist. Dieses Magnetfeld ermöglicht es ebenfalls die zum Drehen bzw. Umschalten der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht erforderliche Koerzitivfeld stärke zu verringern. Der weitere Leiter sowie das über ihn erzeugbare Magnetfeld entspricht in seiner Funktion der, die in der nachveröffentlichten Patentanmeldung 100 53 206.3 be schrieben ist. Wird nun z. B. bei paralleler oder antiparalle ler Ausrichtung der Magnetisierung der magnetischen Schicht und damit des Offset-Felds zusätzlich das Magnetfeld über den weiteren Leiter angelegt, das senkrecht dazu steht, so ergibt sich zum einen die aufgrund der parallelen/antiparallelen Ausrichtung resultierende Verschiebung der Hysteresekurve, zum anderen die aus dem senkrecht dazu stehenden Feld des weiteren Leiters resultierende Verschmälerung der Hysterese. Es ist damit noch ein weiterer Freiheitsgrad hinsichtlich der Programmierung gegeben. Für diese Anwendung muss das über den weiteren Leiter erzeugte senkrecht stehende Magnetfeld natür lich kleiner sein als die Koerzitivfeldstärke der magneti schen Schicht, damit diese nicht ummagnetisiert wird.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung des weiteren Leiters ist ferner der, dass über das mit ihm erzeugbare senkrecht ste hende Magnetfeld auch die Magnetisierung der magnetischen Schicht geändert werden kann. Ist diese beispielsweise ur sprünglich parallel ausgerichtet, so kann durch ein entspre chend hohes über den weiteren Leiter erzeugtes Magnetfeld die Magnetisierung der magnetischen Schicht senkrecht zur hart magnetischen Schicht gedreht werden. Es wird dann mittels des Offset-Felds ein kontinuierlich anliegendes Biasfeld erzeugt, das in seiner Richtung dem Magnetfeld entspricht, das beim kontinuierlichen Bestromen des weiteren Leiters erzeugt wird. Der Unterschied ist jedoch, dass durch die senkrechte Ein stellung der Magnetisierung der magnetischen Schicht kontinu ierlich ein senkrechtes Magnetfeld auf die weichmagnetische Schicht einwirkt, ohne dass hierfür der Leiter kontinuierlich zu bestromen ist, während es bei der vorher beschriebenen Ausführung, wo über den weiteren Leiter lediglich ein zusätz liches senkrecht stehendes Magnetfeld zum parallelen oder an tiparallelen Feld der magnetischen Schicht erzeugt wird, ei ner kontinuierlichen Bestromen des Leiters bedarf.

Ein weiterer beachtlicher Vorteil der Verwendung des weiteren Leiters ist, dass durch Überlagern der Magnetfelder, die beim Bestromen des Leiters, über den die Signale geführt werden, und des weiteren Leiters erzeugt werden, die Magnetisierung der magnetischen Schicht auch in jede beliebige andere Stel lung, also in jeden beliebigen Winkel bezüglich der Magneti sierung der hartmagnetischen Schicht gedreht werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Logikschaltungsanordnung sind in der bereits benannten nach veröffentlichten Patentanmeldung 100 53 206.3 beschrieben, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird und deren Inhalt in die Offenbarung dieser Patentanmeldung mit einbezogen wird.

Sowohl die magnetische Schicht wie auch ggf. der weitere Lei ter sollten derart dimensioniert und angeordnet sein, dass die von ihnen erzeugbaren Magnetfelder im Wesentlichen homo gen auf die weichmagnetische Schicht einwirken, d. h., dass über die Fläche der weichmagnetischen Schicht ein im Wesent lichen homogenes Magnetfeld anliegt, so dass die Koerzitiv feldstärke gleichmäßig über die weichmagnetische Schicht be einflusst werden kann.

Weiterhin kann einem oder mehreren magnetoresistiven Elemen ten ein magnetoresistives Referenz-Element zugeordnet sein, das gleichermaßen aufgebaut ist, also auch sofern am magneto resistiven Element vorgesehen einen weiteren Leiter umfasst. Dieses Referenz-Element dient ausschließlich zu Referenzzwe cken, hinsichtlich der Feldprogrammierbarkeit, die allein durch die magnetische Schicht und ggf. den weiteren Leiter erzielt wird, trägt das Referenz-Element nichts bei. Gleich wohl ist es zweckmäßig, um Widerstandsvariationen auf bzw. über den Wafer auszugleichen.

Im Falle einer Kombination des magnetoresistiven Elements mit der erfindungsgemäß vorgesehenen magnetischen Schicht mit einem weiteren, das senkrechte Magnetfeld erzeugenden Leiter ist es zweckmäßig, wenn diesem weiteren Leiter ein Schalt- oder Steuerelement zugeordnet ist, über das die Erzeugung des weiteren Magnetfelds steuerbar ist. Als ein solches Schalt- oder Steuerelement kann jedes beliebige Element dienen, das es ermöglicht, dann, wenn es erforderlich ist einen Strom über den Leiter, der mit einer entsprechenden Stromquelle verbunden ist, zu führen. Als ein solches Schalt- oder Steu erelement kann zweckmäßigerweise eine MRAM-Speicherzelle, al so eine Magnetic-Random-Access-Memory-Zelle verwendet werden, über deren Zustand der Bestromungsbetrieb des weiteren Lei ters definiert wird. Zweckmäßigerweise wird ein Schalt- oder Steuerelement mit nicht flüchtig gespeicherter Schalt- oder Steuerinformation verwendet.

Weiterhin kann bei Verwendung dieses weiteren Leiters durch diesen ein niedriges Bias-Magnetfeld, das im Wesentlichen kontinuierlich auf das magnetoresistive Element einwirkt, er zeugt werden, wobei das Bias-Magnetfeld niedriger ist als das eigentliche von dem weiteren Leiter erzeugte senkrecht ste hende Magnetfeld. Das Bias-Magnetfeld erniedrigt die Koerzi tivfeldstärke ebenfalls, jedoch nur gering, was dahingehend von Vorteil ist, als die Hysteresekurve "homogener" wird. Man nähert sich einem idealen Schaltverhalten, das Schalten ist schneller möglich. Das magnetoresistive Element bzw. ggf. das Referenz-Element wird also etwas vorgespannt.

Wegen weiterer Ausgestaltungsformen wird nochmals auf die nachveröffentlichte Patentanmeldung 100 53 206.3 verwiesen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei spiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Logikschaltungsanordnung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des magnetoresistiven Ele ments mit einer in eine erste Richtung magnetisier ten magnetischen Schicht,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung entsprechend Fig. 2 mit ei ner in eine zweite Richtung magnetisierten magneti schen Schicht,

Fig. 4 eine Prinzipskizze einer idealisierten Schaltkurve des magnetoresistiven Elements mit Asteroid- Schaltverhalten für das in Fig. 2 gezeigte magneto resistive Element,

Fig. 5 eine Prinzipskizze einer idealisierten Schaltkurve eines magnetoresistiven Elements mit Asteroid- Schaltverhalten für das in Fig. 3 gezeigte magneto resistive Element, und

Fig. 6 eine Prinzipskizze einer weiteren Logikschaltungs anordnung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Logikschaltungsanordnung 1 bestehend aus einem magnetoresistiven Element 2, beispiels weise einem GMR- oder einem TMR-Element. Dieses magnetoresistive Element ist über geeignete Zuleitungen mit einem Messstrom I₀ bestrombar, wobei die Größe der abgreifbaren Messspannungen abhängig davon ist, wie die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements zur Magnetisierung der hartmagnetischen Referenzschicht steht. Die Grundfunktion eines GMR- oder TMR-Elements ist hinrei chend bekannt, auf sie muss hier nicht näher eingegangen wer den.

Elektrisch isoliert verläuft quer über dem magnetoresistiven Element 2 ein ebenfalls bestrombarer Leiter 3, der im bestromten Zustand ein Magnetfeld am Ort der weichmagneti schen Schicht des magnetoresistiven Elements 2 erzeugt. Der Strom I_A/B im Leiter 3 addiert sich aus den Einzelströmen der beiden Logikeingänge A und B, an die entsprechende Logiksig nale gelegt werden können. Der Spannungsabfall U über dem magnetoresistiven Element ist der logische Ausgang.

Der Strom-Spannungsverlauf eines magnetoresistiven Elements 2 folgt direkt aus der Hysteresekurve der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements und nimmt im Idealfall bei konstantem I₀ zwei diskrete Werte an, die zur Definition einer logischen "0" (U₀) und einer logischen "1" (U₁) dienen. Das Grundprinzip bzw. der prinzipielle Verlauf ist in den Fig. 4 und 5 anhand der Hysteresekurven dargestellt.

Zwei diskrete Stromwerte der Logikeingänge A und B werden als logische "1" (I(1)) und logische "0" (I(0)) definiert. Je nachdem, bei welchen Stromkombinationen bzw. den sich daraus ergebenden Strömen und damit Magnetfeldern über dem magneto resistiven Element 2 die Ummagnetisierung der weichmagneti schen Schicht und damit die Änderung der Spannung U von logi scher "0" nach logischer "1" schaltet, definiert sich die Lo gikschaltung als OR-, NOR-, AND- oder NAND-Funktion.

Sind I(0), I(1), U(0) und U(1) einmal global festgelegt, dann definiert das Schaltverhalten und dabei konkret die Koerzitivfeldstärke H_c der weichmagnetischen Schicht des magnetore sistiven Elements 2 die Funktion der logischen Schaltung. Ist H_c klein, so dass bereits eine logische "1" an einem der Ein gänge A, B genügt, um von U(0) nach U(1) zu schalten, so liegt eine OR-Funktion vor (schaltet das Element von U(1) nach U(0), so liegt eine NOR-Funktion vor). Ist H_c so groß, dass an beiden logischen Eingängen eine logische "1" anliegen muss, damit das über den Leiter 3 erzeugte Magnetfeld hinrei chend groß ist, so dass das magnetoresistive Element 2 ummag netisiert und die Spannung schaltet, so liegt eine AND- Funktion vor (und entsprechend bei einem Umschalten von U(1) nach U(0) eine NAND-Funktion).

Durch geeignete Variation der Koerzitivfeldstärke H_c der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements 2 kann somit die Logikschaltung 1 in ihrer Funktion definiert werden. Das Verhältnis der Koerzitivfeldstärke zur Höhe des über einen der Eingänge A oder B anlegbaren Signalstroms bzw. dem hierüber erzeugbaren Magnetfeld definiert also die Funk tion.

Die Erfindung macht sich nun den Umstand zunutze, dass mit tels eines parallel oder antiparallel zur leichten magneti schen Richtung der magnetischen Schicht, die eine uniaxiale magnetische Anisotropie aufweist, und deren Schaltverhalten durch eine sogenannte Asteroid-Kurve charakterisiert wird, die Koerzitivfeldstärke betragsmäßig variiert werden kann. Material, Geometrie und Dimensionen der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements sind so gewählt, dass das Element ein Asteroid-Schaltverhalten zeigt und die Koer zitivfeldstärke in der leichten Richtung durch ein externes Magnetfeld variiert werden kann. Zu diesem Zweck ist ein be sonderer Schichtaufbau des magnetoresistiven Elements vorge sehen. Für die hier vorliegende Erfindung ist das Asteroid- Schaltverhalten jedoch nicht notwendig; es ist im realen Bau element wünschenswert, um hohe Schaltgeschwindigkeiten zu er reichen.

Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung als Prinzipskizze das magnetoresistive Element 2. Dieses weist folgenden Schichtaufbau auf:

- weichmagnetische Schicht 4
- Tunnelbarriere 5
- künstlicher Antiferromagnet 6 (AAF = Artificial Antiferro magnet)
- elektrische Zuleitung 7
- zusätzliche magnetische Schicht 8
- Buffer-Schicht 9
- Substrat 10.

Die magnetische Schicht 8 weist eine Magnetisierung M auf, die im gezeigten Beispiel parallel zur leichten Richtung L der weichmagnetischen Schicht 4 steht. Die Magnetisierung M der magnetischen Schicht 8 erzeugt ein Offset-Feld H_offset, das im gezeigten Beispiel antiparallel zur leichten Richtung L der weichmagnetischen Schicht 4 steht. Diese antiparallele Ausrichtung des Offset-Felds H_offset zur leichten Richtung L, in die die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht 4, also der Schalt- oder Speicherschicht beim Schalten dreht, wirkt also dem Drehprozess entgegen. Dies führt dazu, dass zum Schalten eine höhere Schaltfeldstärke zu erzeugen ist. Fig. 4 zeigt den diesbezüglichen Hystereseverlauf, wobei hier die Spannung über den Strom aufgetragen ist. Ersichtlich ist der idealisierte Hystereseverlauf nicht zentralsymmetrisch zum Nullpunkt des Koordinatensystems, sondern nach rechts verschoben. Das heißt, um von U₀ nach U₁ zu schalten ist eine relativ große Feldstärke erforderlich, die nur dann erzeugt werden kann, wenn an beiden Signaleingängen A und B ein Sig nal anliegt. In diesem Fall wäre also ein AND-Schaltung rea lisiert.

Anders sind die Verhältnisse bei dem in Fig. 3 gezeigten magnetoresistiven Sensorelement, das dem aus Fig. 2 vom Aufbau her entspricht. Jedoch ist die Magnetisierung M der mag netischen Schicht 8 hier antiparallel zur leichten Richtung L der weichmagnetischen Schicht 4 ausgerichtet. Das von der Magnetisierung M erzeugte Offset-Feld H_offset verläuft hier pa rallel zur leichten Richtung L, das heißt, es verstärkt bzw. unterstützt eine Drehung der beispielsweise im Ausgangszu stand entgegen der leichten Richtung L stehenden Magnetisie rung beim Drehen in die leichte Richtung.

Die zugehörige Hysteresekurve zeigt Fig. 5. Ersichtlich ist hier die Hysteresekurve nach links verschoben im Vergleich zur Hysterese nach Fig. 4. In diesem Fall ist eine OR- Schaltung realisiert, da zum Schalten der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht 4 lediglich ein Signal an einem der Eingänge A oder B ausreicht.

Je nachdem, wie die Magnetisierung M der magnetischen Schicht 8 bezüglich der Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht also ausgerichtet ist, kann ein AND- oder ein OR-Logikelement realisiert werden.

In den Fig. 4 und 5 ergibt sich die AND- bzw. die OR-Funktion bei fester Richtung der Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht jeweils dann, wenn von U₀ auf U₁ geschalten wird. Wird in die jeweils andere Richtung von U₁ auf U₀ geschalten, so zeigt das magnetoresistive Element gemäß Fig. 2 und 4 ein NOR-Verhalten, während das magnetoresistive Element gemäß Fig. 3 und 5 ein NAND-Verhalten zeigt.

Die Einstellung der Magnetisierung M und damit die Feldpro grammierung erfolgt durch Bestromen des Leiters 3. An einen oder beiden Eingängen A und B wird ein so hoher Strom gelegt, dass ein Magnetfeld erzeugt wird, das auf die magnetische Schicht 8 einwirkt und größer als deren Koerzitivfeldstärke ist. Je nach Vorzeichen des eingeprägten Stromes und damit der Richtung des erzeugten Einstellfeldes richtet sich die Magnetisierung M entweder parallel oder antiparallel zur leichten Achse L der weichmagnetischen Schicht 4 aus. Die Magnetisierung M steht also senkrecht zur Magnetfeldleiter bahn 3. Dabei ist die magnetische Schicht 8 derart dimensio niert und bemessen und aus einem entsprechenden Material ge wählt, dass zum einen ihre Koerzitivfeldstärke deutlich grö ßer ist als die Koerzitivfeldstärke der weichmagnetischen Schicht. Hierdurch wird vermieden, dass die Magnetisierung M durch das normale Schalten der Magnetisierung der weichmagne tischen Schicht 4 beeinflusst oder geändert wird. Darüber hinaus muss die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht 8 auch wesentlich kleiner als die Koerzitivfeldstärke einer hartmagnetischen Referenz- oder Biasschicht des AAF-Systems 6 sein. Denn es muss sichergestellt sein, dass die Magnetisie rung dieser Referenz- oder Biasschicht während des Program mierens der magnetischen Schicht 8 und damit der Ausrichtung der Magnetisierung M nicht geändert wird. Beispielsweise ist die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht 8 viermal größer als die der weichmagnetischen Schicht 4 und zwanzigmal kleiner als die der hartmagnetischen Referenz- oder Bias schicht.

Weiterhin ist zum einen die magnetische Schicht natürlich auch derart zu dimensionieren und zu bemessen und zum anderen die Geometrie und Dimension des magnetoresistiven Elements, dass das erzeugte Streufeld oder Offset-Feld H_offset im Bereich der weichmagnetischen Schicht einerseits möglichst homogen und andererseits hinreichend groß ist, um einen die Hysterese ausreichend verschiebenden Einfluss auf die Koerzitiv feldstärke der weichmagnetischen Schicht 4 zu haben. Schließ lich ist noch darauf hinzuweisen, dass die Position der mag netischen Schicht 8 im Schichtsystem des magnetoresistiven Elements frei wählbar ist, solange ihre Magnetisierung mit einem über den Leiter 3 geführten Strom geschaltet werden kann und ihr magnetostatisches Feld derart groß ist, dass die Hysterese qualitativ wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt verscho ben werden kann. Es ist also durchaus auch denkbar, die mag netische Schicht nach der weichmagnetischen Schicht 4 aufzubringen, wobei eine oder mehrere isolierende Zwischenschich ten dazwischengesetzt werden.

Als Material der zusätzlichen magnetischen Schicht 8 kann z. B. CoFe verwendet werden, denkbar sind aber auch andere weichmagnetische Materialien. Ebenso muss das hartmagnetische System 6 kein AAF-System sein, sondern kann auch eine Einzel schicht oder ein durch Exchange-Bias gebildetes System sein. Es sind also beliebige Variationsmöglichkeiten denkbar, so lange das Grundziel erreicht wird, nämlich die qualitative Verschiebung der Hysteresen bei einem funktionierenden magne toresistiven System, so dass dies für eine feldprogrammierba re Logik ausgenutzt werden kann.

Nachfolgend wird ein Beispiel gegeben, wie die logischen Ein- und Ausgänge definiert werden können:

Die logischen Eingänge sind definiert:
logische "1": I(1) = I^*
logische "0": I(0) = -0,5 I^*.

Die logischen Ausgänge sind definiert:
logische "1": U(1) = U₁
logische "0": U(0) = U₀.

Bevor eine logische Funktion ausgeführt wird ist das magneto resistive Element 2 in einen definierten Ausgangszustand zu bringen, wobei in diesem Ausführungsbeispiel an beiden Ein gängen eine logische 0 angelegt wird (reset-Funktion). Es liegt also an beiden Eingängen A und B ein Strom I(0) = -0,5 I^* an. Mit diesen Definitionen und dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten Schaltverhalten folgt, dass durch Programmierung der magnetischen Schicht 8 mit einem Strom von z. B. +4 I^* das magnetoresistive Element als AND-Funktion (Fig. 4) und mit einem Strom von -4 I^* als OR-Funktion (Fig. 5) definiert werden kann. Der Faktor 4 ist hier willkürlich gewählt und setzt voraus, dass die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht 8 ca. viermal so groß ist wie die Koerzitivfeldstärke der weichmagnetischen Schicht 4.

Bezogen auf Fig. 4 muss also zum Schalten der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht 4 und damit zum Schalten von U₀ auf U₁ an beiden Eingängen A und B ein Strom von 0,5 I^* an liegen, während es bei der in Fig. 5 gezeigten Hysterese aus reichend ist, wenn entweder am Eingang A oder am Eingang B ein Strom von 0,5 I^* anliegt.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsge mäßen Logikschaltungsanordnung 11. Diese entspricht insoweit der Logikschaltungsanordnung 1 aus Fig. 1, jedoch ist hier zum einen ein weiterer Leiter 12 vorgesehen, der zum Erzeugen eines Magnetfelds dient, das senkrecht zur Magnetisierung des hartmagnetischen Schichtsystems 6 steht. Dieses Feld kann entweder kleiner als die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht 8 sein, d. h., es lässt deren Magnetisierung unbeein flusst. Wird dieses Feld über den weiteren Leiter 12 ange legt, so führt dies dazu, dass die in den Fig. 4 und 5 ge zeigte Hysteresekurve schmäler wird. Darüber hinaus kann über den weiteren Leiter 12 ein so hohes Magnetfeld angelegt wer den, dass die Magnetisierung der magnetischen Schicht 8 in Richtung dieses senkrecht stehenden Feldes gedreht wird. Das senkrechte Magnetfeld würde in diesem Fall kontinuierlich auch ohne Bestromen des weiteren Leiters 12 anliegen.

Weiterhin ist hier ein zweites magnetoresistives Referenz- Element 13 vorgesehen, oberhalb welchem ebenfalls elektrisch isoliert ein Leiter 14 verläuft, so dass auch hier das Refe renz-Element 13 mit einem Magnetfeld geschaltet wird wie das eigentliche Messelement 2. Der Aufbau des Referenz-Elements hinsichtlich der Schichtfolge etc. entspricht dem des eigent lichen Messelements 2. Über das magnetoresistive Referenz- Element 13, bei dem ebenfalls ein kontinuierlicher Strom I(0) anliegt, wird gleichermaßen eine Referenzspannung U_R abge griffen, die im Idealfall im Bereich U_max < U_R < U_min liegt, wobei U_max, U_min der maximale bzw. minimale Spannungsabfall im Element 2 bei Strom I(0) ist.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Erfindung eine feldprogrammierbare Logikschaltungsanordnung angibt, die we sentlich weniger Fläche benötigt und mithin auf einer gerin geren Fläche auf den Wafer aufgebaut werden kann. Weiter kann sie auf einfache Weise jederzeit in ihrer Funktion umgeschal ten werden, da hierzu lediglich die Magnetisierung M der mag netischen Schicht 8 umgedreht werden muss.

Claims

1. Logikschaltungsanordnung (1) mit mindestens einem magneto resistiven Element (2) mit einer hartmagnetischen Schicht und einer weichmagnetischen Schicht (4), dem ein Leiter (3) mit mindestens zwei Signalanschlüssen (A, B) zugeordnet ist, mit tels dem im stromdurchflossenen Zustand ein auf das magneto resistive Element (2) einwirkendes Magnetfeld erzeugbar ist, mittels dem die Magnetisierung (M) der weichmagnetischen Schicht (4) des magnetoresistiven Elements (2) umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetoresistive Element (2) wenigstens eine weitere mag netische Schicht (8) aufweist, die ein auf die Magnetisierung (M) der weichmagnetischen Schicht (4) einwirkendes magneti sches Offsetfeld (H_offset) erzeugt.

2. Logikschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Offsetfeld im Wesent lichen parallel, antiparallel oder senkrecht zur Magnetisie rung der hartmagnetischen Schicht (6) steht.

3. Logikschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, das die Richtung der Magnetisierung der magnetischen Schicht und damit die Richtung des Offset-Felds durch wenigstens ein externes Mag netfeld einstellbar ist.

4. Logikschaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, da durch gekennzeichnet, dass die Magneti sierung (M) der magnetischen Schicht (8) in die parallele o der antiparallele Stellung durch ein von dem stromdurchflos senen Leiter (3) erzeugbares Magnetfeld einstellbar ist.

5. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht (8) größer ist als die maximale Feldstärke des zum Schalten der weichmagnetischen Schicht (4) erzeugbaren Magnetfelds.

6. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koerzitivfeldstärke der magnetischen Schicht (8) kleiner ist als die Koerzitivfeldstärke der hartmagnetischen Schicht (6) des magnetoresistiven Elements (2).

7. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Leiter (12) vorgesehen ist, mittels dem ein im Wesentlichen senkrecht zur Magnetisierung der hartmagneti schen Schicht (6) stehendes Magnetfeld erzeugbar ist.

8. Logikschaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung (M) der magnetischen Schicht (8) mittels des weiteren Leiters (12) in die senkrechte Stellung einstellbar ist.

9. Logikschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der magnetischen Schicht in eine andere Richtung als die paralle le, die antiparallele oder die senkrechte Stellung durch Überlagerung der mittels des Leiters (3) und des weiteren Leiters (12) erzeugbaren Magnetfelder einstellbar ist.

10. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von arrayartig angeordneten magnetore sistiven Elementen (2) mit zugeordneten Leitern (3) aufweist.

11. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetoresistive Element (2) ein GMR- oder ein TMR- Sensor ist.

12. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Schicht (8) und gegebenenfalls der wei tere Leiter (12) derart dimensioniert und angeordnet sind, dass die von ihnen erzeugten Magnetfelder im Wesentlichen ho mogen auf die weichmagnetische Schicht (4) einwirken.

13. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem oder mehreren magnetoresistiven Elementen (2) ein magnetoresistives Referenzelement (13) zugeordnet ist, das in seinem Aufbau dem des magnetoresistiven Elements (2) ent spricht und dem ein Leiter (14) zugeordnet ist.

14. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem magnetoresistiven Element (2) ein Verstärkerelement zugeordnet ist.

15. Logikschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere weitere, dem magnetoresistiven Element zugeordnete, über- und/oder nebeneinander liegende und elektrisch vonein ander isolierte Leiter vorgesehen sind.