DE10144395C1

DE10144395C1 - Baustein der programmierbaren magnetischen Logik

Info

Publication number: DE10144395C1
Application number: DE2001144395
Authority: DE
Inventors: Joachim Bangert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2021-09-11

Abstract

Der Baustein (2) der programmierbaren magnetischen Logik enthält zwei Gatterelemente (G1, G2), die jeweils ein magnetoresistives Schichtensystem (11 bzw. 21) mit einer magnetischen Informationsschicht (S), einer magnetischen Referenzschicht (5) und einer dazwischen liegenden, nicht-magnetischen Zwischenschicht (Z) aufweisen. Jede Informationsschicht (S) ist magnetisch weicher als die zugeordnete Referenzschicht (R). In die Referenzschichten (R) der beiden Schichtsysteme (11, 21) sind Magnetisierungen (M1, M2) mit engegengesetzter Ausrichtung eingeprägt. Über den beiden Gatterelementen (G1, G2) liegt eine Steuerleitung (15) für ein logisches Eingangssignal (E). An einem der Schichtsysteme ist ein invertiertes Ausgangssignal (A2) abzugreifen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Baustein der programmierbaren magnetischen Logik unter Verwendung von mindestens zwei Gat terelementen, die jeweils ein magnetoresistives Schichtensys tem aufweisen. Ein derartiger Baustein geht aus der Veröf fentlichung "Journ. of Appl. Phys.", Vol. 87, No. 9, 1. Mai 2000, Seiten 6674 bis 6679 hervor.

In vielen Anwendungen der Logik werden digitale Signale in vertiert benötigt, z. B. zu einer Taktung oder an den Ein- und Ausgängen von logischen Gatterelementen. Dies ist z. B. bei der kombinatorischen Logik der Fall, die programmierbare Bau steine (sogenannte Programmable Logic Devices bzw. PLDs) wie insbesondere programmierbare logische Matrixelemente (soge nannte Programmable Logic Arrays bzw. PLAs) erfordert. Eine entsprechende PLA-Einrichtung(-Device) hat sowohl eine pro grammierbare UND-Matrix als auch eine programmierbare ODER- Matrix. Hierbei wird der Eingang des ersten UND-Matrix mit einem Inverter gepuffert und zum einen direkt der Matrix des Bausteins zur Verfügung gestellt; zum anderen wird dieses Signal erneut invertiert. Der hierfür vorgesehene zweite In verter erzeugt ebenfalls ein gepuffertes Ausgangssignal, das mit dem Eingang gleichphasig ist. Entsprechende Bausteine müssen auch als Ausgangstreiber der ODER-Matrix eingesetzt werden, wenn wie z. B. bei einer PLA-Einrichtung die Ausgangs signale invertiert und nicht invertiert vorliegen sollen.

Für den Bereich der magnetischen Logik kann als Inverter z. B. ein NOR- oder an NAND-Gatterelement eingesetzt werden, dessen Eingänge zusammengeschaltet sind. Entsprechende Gatter der magnetischen Logik sind aus der eingangs genannten Literatur stelle bekannt. Sie enthalten jeweils ein magnetoresistives Schichtensystem mit einer Informationsschicht und einer durch eine nicht-magnetische Zwischenschicht beabstandeten Referenzschicht. Die Schichtensysteme können dabei insbesondere vom sogenannten GMR(Giant MagnetoResistance)-Typ oder in gleicher Weise vom TMR(Tunneling MagnetoResistance)- oder SDT(Spin-Dependent-Tunneling)-Typ sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von die sem Stand der Technik einen Baustein der programmierbaren magnetischen Logik anzugeben, der als ein Grundbaustein uni versell einsetzbar ist und insbesondere zum Aufbau einer PLA- Einrichtung dienen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 an gegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend besitzt der er findungsgemäße Baustein der programmierbaren magnetischen Lo gik wenigstens zwei Gatterelemente mit folgenden Merkmalen:

a) Sie weisen jeweils ein magnetoresistives Schichtensystem mit mindestens einer Informationsschicht aus magneti schem Material und mindestens einer durch eine Zwischen schicht aus nicht-magnetischem Material beabstandeten Referenzschicht aus magnetischem Material auf, wobei
- 1. die Informationsschicht aus einem Material besteht, das vergleichsweise magnetisch weicher ist als das Material der Referenzschicht,
sowie
- 1. in die Referenzschichten der beiden Magnetschicht systeme Magnetisierungen mit entgegengesetzter Aus richtung eingeprägt sind,
b) ihnen ist eine Steuerleitung zur Führung eines logi schen Eingangssignals derart zugeordnet, dass sie bezüg lich der Steuerleitung hintereinander angeordnet sind,

und

a) sie weisen jeweils zwei Systemanschlüsse zum Abgriff ei nes Ausgangssignals auf, wobei das Ausgangssignal des einen Schichtensystems nicht invertiert und das Aus gangssignal des anderen Schichtensystems invertiert be züglich des logischen Eingangssignals sind.

Unter einem Baustein wird in diesem Zusammenhang ein ele mentartiger Aufbau mit einem Trägerkörper verstanden, inner halb dessen, an oder auf dem die beiden Gatterelemente ange ordnet sind, wobei für diese und die Signal(strom)leitung An schlusspunkte vorhanden sind, die mit entsprechenden An schlusspunkten am Rande des Bausteins zu verbinden sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Baustein wird also eine Program miermöglichkeit von Referenzschichten zur Realisierung von Inverterfunktionen herangezogen. Dabei ermöglicht die antipa rallele Programmierung zweier Referenzschichten bei gleichem Eingangssignal konträre Ausgangssignale. Auf diese Weise ist z. B. eine Reihenschaltung der Bauelemente möglich, die die gleiche Information verarbeiten, aber unterschiedliche Aus gangssignale aufweisen. Die mit dieser Ausgestaltung des er findungsgemäßen Bausteins verbundenen Vorteile sind also dar in zu sehen, dass mit ihm auf besonders einfache Weise eine Inverterfunktion auszuüben ist. Der Baustein stellt dabei ei nen Grundbaustein dar, da die Systemanschlüsse der beiden Schichtensysteme in vielfältiger Weise miteinander zu ver schalten sind. Je nach Verschaltungsart ergeben sich dabei verschiedene Gattertypen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bausteins gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Der erfindungsgemäße Baustein braucht nicht unbedingt einen identischen Aufbau seiner Gatterelemente bzw. seiner Schich tensysteme aufzuweisen, obwohl dies im Hinblick auf einen einfachen Herstellungsprozess von Vorteil ist. Gegebenenfalls können, insbesondere um Ausgangssignale unterschiedlicher Größe oder um unterschiedliche Kennlinien oder Empfindlich keiten zu erhalten, Schichtensysteme mit unterschiedlichem Aufbau vorgesehen sein. Die Unterschiede können dabei in der Materialwahl der einzelnen Schichten und/oder der Anzahl der Schichten und/oder deren Schichtenfolge bestehen. Auch lassen sich unterschiedliche Schichtdicken vorsehen.

Bevorzugt werden Schichtensysteme mit erhöhtem magnetore sistiven Effekt, insbesondere als XMR-Systeme, ausgebildete Schichtensysteme vorgesehen.

Bei zumindest einem der Schichtensysteme kann die Referenz schicht eine Schicht innerhalb eines Referenzschichtsystems sein. Solche Referenzschichtsysteme können beispielsweise einen künstlichen Antiferromagneten bilden (vgl. WO 94/15223 A).

An den Rändern des Bausteins können jeweils gegenüberliegend zwei Kontaktierungspunkte der Steuerleitung, zwei Kontaktie rungspunkte des ersten Schichtensystems sowie zwei Kontaktie rungspunkte des zweiten Schichtensystems vorgesehen sein. Da mit lassen sich die Schichtensysteme des Bausteins in viel fältiger Weise miteinander verschalten, so dass der Baustein als ein Grundbaustein der magnetischen Logik anzusehen ist.

Die Gatterelemente des Bausteins werden vorteilhaft längs ei ner gedachten Mittellinie hintereinanderliegend und unterein ander beabstandet angeordnet. Damit ist einerseits eine ge genseitige Magnetfeldbeeinflussung auszuschließen; anderer seits ist die Herstellung des Bausteins verhältnismäßig ein fach.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigt deren einzige Figur in stark schematisierender Weise den erfindungsgemäßen Baustein.

Wie in der Figur durch eine gestrichelte Linie veranschau licht ist, nimmt der allgemein mit 2 bezeichnete Grundbau stein nach der Erfindung bzw. dessen Trägerkörper für weitere Teile z. B. eine Fläche mit einer Rechteckform ein. Der Bau stein umfasst mindestens zwei Gatterelemente G1 und G2. Jedes dieser Gatterelemente weist ein an sich bekanntes Mehrschichtensystem 11 bzw. 21 auf, das vorzugsweise einen erhöhten magnetoresistiven Effekt ΔR/R zeigt. Der magnetoresistive Effekt dieser Systeme ist dementsprechend gegenüber bekannten magnetoresistiven Einschichtensystemen mit anisotropem magne toresistiven Effekt ("AMR"-Effekt) größer und liegt insbeson dere oberhalb von 2% bei Raumtemperatur. Jedes Schichtensys tem ist vorzugsweise entweder giant-magnetoresistiv ("GMR") oder tunnel-magnetoresistiv ("TMR") oder kolossal magnetoresistiv ("CMR") oder zeigt eine Riesenmagnetoimpedanz bzw. einen Riesenwechselstromwiderstand ("GMI"). Dabei ist es prinzipiell auch möglich, dass für die Schichtensysteme 11 und 21 unterschiedliche Typen von magnetoresistiven Mehr schichtensystemen gewählt werden. Die Unterschiede entspre chender Schichtensysteme und deren Aufbau sind z. B. in der Broschüre "XMR-Technologien" - Technologieanalyse: Magnetis mus, Bd. 2 - des VDI-Technologiezentrums "Physikalische Tech nologien", Düsseldorf (DE) 1997, Seiten 11 bis 46 dargelegt. Dabei stellt der Begriff "XMR-Technologien" den Oberbegriff des auf den Magnetowiderstandseffekten AMR, GMR, TMR, CMR und GMI beruhenden technischen Know-hows dar. Bevorzugt ist das Schichtensystem des erfindungsgemäßen Bausteins ein GMR- oder TMR-System, wobei es einen sogenannten "Spin-Valve"-Aufbau hat.

Jedes zu verwendende Schichtensystem 11 bzw. 21 umfasst min destens eine magnetische Referenzschicht R und eine nachfol gend als magnetische Informationsschicht bezeichnete Detekti ons- oder Speicherschicht S, zwischen denen sich eine Zwi schenschicht Z aus nicht-magnetischem Material befindet. Da bei soll die Referenzschicht im Vergleich zu der Informati onsschicht magnetisch härter sein. Damit ist zu erreichen, dass durch ein äußeres Magnetfeld in der Informationsschicht die Magnetisierungsrichtung weitgehend frei einzustellen ist, während sie in der Referenzschicht unverändert bleibt. Für die Informationsschichten S und die Referenzschichten R kom men die bekannten ferromagnetischen Materialien aus dem Stoffsystem Fe-Ni-Co in elementarer oder Legierungsform in Frage. Das nicht-magnetische Material der Zwischenschichten Z hängt vom vorgesehenen XMR-Typ ab und kann metallisch (z. B. Cu für einen GMR-Typ) oder kann halbleitend oder isolierend (z. B. Al₂O₃ für einen TMR-Typ) sein.

In an sich bekannter Weise kann statt einer einzelnen Refe renzschicht R auch ein gegenüber der magnetisch weicheren In formationsschicht S insgesamt magnetisch härteres Referenz schichtsystem vorgesehen werden. Ein entsprechendes Referenz schichtsystem enthält neben einer magnetischen Referenz schicht noch mindestens eine weitere Schicht und kann insbe sondere als ein sogenannter künstlicher Antiferromagnet (vgl. die WO 94/15223 A) ausgebildet sein kann. Auch ein Referenz schichtsystem in Form einer Doppelschicht mit einem natürli chen Antiferromagneten ist ebenso gut verwendbar.

Wie ferner durch gepfeilte Linien an den Schichtensystemen 11 und 21 veranschaulicht sein soll, sind in deren Referenz schichten R jeweils eine feste Magnetisierung M bzw. M' ein geprägt. Dabei soll die Magnetisierung M des einen Schichten systems in eine vorbestimmte Richtung weisen, die entgegenge setzt gerichtet ist bzgl. der Richtung der Magnetisierung M' der Referenzschicht in dem anderen Schichtensystem.

Die Gatterelemente G1 und G2 stellen Standardzellen dar, de ren verschiedene Verschaltungsmöglichkeiten Gegenstand der nicht-vorveröffentlichten DE-Anmeldung mit dem Titel "Stan dardzellenanordnung für ein magnetoresistives Bauelement" vom gleichen Anmeldetage mit dem Aktenzeichen 101 44 385.4 ist.

Die beiden Gatterelemente G1 und G2 sind längs einer (gedach ten) Mittellinie m des Bauteils 2 untereinander beabstandet angeordnet. Für ein in die Gatterelemente induktiv einzuspei sendes Eingangssignal E führt über sie elektrisch isoliert eine Steuerleitung 15 derart, dass sie bezüglich der Strom führungsrichtung in dieser Leitung hintereinander angeordnet sind. Zu dieser Stromführung sind an dem ersten Gatterelement G1 elektrische Eingangsanschlüsse 16 und 17 und an dem zwei ten Gatterelement G2 Eingangsanschlüsse 26 und 27 vorgesehen, zwischen denen bzw. zu denen Teilabschnitte des Steuerleitung 15 verlaufen. Darüber hinaus ist das Schichtensystem 11 des ersten Gatterelementes G1 mit Systemausgängen 12 und 13 ver sehen, an denen ein an dem Schichtensystem zu gewinnendes Ausgangssignal abzugreifen ist, das einem über das Schichten system zu führenden Lesestrom 11 überlagert ist. In entspre chender Weise weist das Schichtensystem 21 des zweiten Gat terelementes G2 entsprechende Systemausgänge 22 und 23 auf. Der über dieses System zu führende Lesestrom ist mit 12 be zeichnet, wobei seine Stromführungsrichtung gleich der über das Schichtensystem 11 ist.

Wie ferner aus der Figur zu entnehmen ist, sind an den Rän dern des Bausteins 2 für die einzelnen zu den Gatterelementen führenden elektrischen Leitungen Kontaktierungspunkte vorge sehen. So ist die Steuerleitung 15 an gegenüberliegenden Kon taktierungspunkten 18 und 28 anzuschließen. Die beiden Sys temausgänge 12 und 13 des ersten Schichtensystems 11 sind mit gegenüberliegenden Kontaktierungspunkten 32 und 33 und die beiden entsprechenden Systemausgänge 22 und 23 des zweiten Schichtensystems 21 mit gegenüberliegenden Kontaktierungs punkten 42 und 43 verbunden.

Wird nun, wie in der Figur angedeutet ist, auf die Steuerlei tung 15 ein logisches Eingangssignal E, das z. B. eine logi sche "1" bedeutet, gegeben, so führt dieses Signal in der In formationsschicht S des Schichtensystems 11 des ersten Gat terelementes zu einer vorbestimmten Magnetisierung, die einen davon abhängenden Wert des magnetoresistiven Effektes an dem Schichtensystem zur Folge hat. Der Abgriff dieses Wertes stellt dann ein Ausgangssignal A1 dar, das bei der vorgegebe nen Magnetisierungsrichtung M1 in der Referenzschicht R des Schichtensystems 11 beispielsweise gegenüber dem Eingangssig nal nicht invertiert ist. Wegen der in entgegengesetzte Richtung weisenden Magnetisierung M2 der Referenzschicht R des Schichtensystems 21 des Gatterelementes G2 ist dann das an diesem Schichtensystem entsprechend abzugreifende Ausgangs signal A2 gegenüber dem Ausgangssignal A1 invertiert. Der Baustein eignet sich folglich besonders für eine PLA-Einrichtung.

Die Programmierung bzw. Ausrichtung der Magnetisierungen M1 und M2 in den Referenzschichten der beiden Schichtensysteme 11 und 21 kann in an sich bekannter Weise vorgenommen werden. So ist z. B. eine Programmierung durch hinreichend hohe Ströme möglich, die an den Eingangsanschlüssen 16, 17 bzw. 26, 27 der Steuerleitung 15 eingespeist werden können (vgl. z. B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. 32, No. 2, März 1996, Seiten 366 bis 371). Bei Verwendung einer Doppelschicht mit natürlichem Antiferromagneten als Referenz kann die Einprägung der Magne tisierungsrichtung auch durch Ionenbestrahlung erfolgen (vgl. z. B. "Phys. Rev. B", Vol. 63, 1. Februar 2001, 060409(R)-1 bis -4).

Claims

1. Baustein (2) der programmierbaren magnetischen Logik mit mindestens zwei Gatterelementen (G1, G2),

a) wobei jedes Gatterelement (G1, G2) ein magnetoresisti ves Schichtensystem (11 bzw. 21) mit mindestens einer Informationsschicht (S) aus magnetischem Material und mindestens einer durch eine Zwischenschicht (Z) aus nicht-magnetischem Material beabstandeten Referenz schicht (R) aus magnetischem Material aufweist, wobei
- 1. die Informationsschicht (S) aus einem Material be steht, das vergleichsweise magnetisch weicher ist als das Material der Referenzschicht (R),
sowie
- 1. in die Referenzschichten (R) der beiden Schichten systeme (11, 21) Magnetisierungen (M1, M2) mit ent gegengesetzter Ausrichtung eingeprägt sind,
b) wobei den beiden Gatterelementen (G1, G2) eine Steuer leitung (15) zur Führung eines logischen Eingangssig nals (E) derart zugeordnet ist, dass sie bezüglich der Steuerleitung (15) hintereinander angeordnet sind,

und

a) wobei jedes Gatterelement (G1, G2) zwei Systemanschlüsse (12, 13 bzw. 22, 23) zum Abgriff eines Ausgangssignals (A1, A2) aufweist, wobei das Ausgangssignal (A1) des einen Schichtensystems (11) nicht invertiert und das Ausgangssignal (A2) des anderen Schichtensystems (21) invertiert bezüglich des logischen Eingangssignals (E) sind.

2. Baustein nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schichtensysteme (11, 21) mit unterschiedlichem Aufbau.

3. Baustein nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich net durch Schichtensysteme (11, 21) mit erhöhtem magneto resistiven Effekt.

4. Baustein nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Schich tensysteme (11, 21) als XMR-Systeme ausgebildet sind.

5. Baustein nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass zumindest bei einem der Schichtensysteme (11 oder 21) die Referenz schicht (R) eine Schicht innerhalb eines Referenzschichtsys tems ist.

6. Baustein nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass an seinen Rändern jeweils gegenüberliegend zwei Kontaktierungspunkte (18, 28) der Steuerleitung (15), zwei Kontaktierungspunkte (32, 33) des ersten Schichtensystems (11) sowie zwei Kontak tierungspunkte (42, 43) des zweiten Schichtensystems (21) vorgesehen sind.

7. Baustein nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Gatter elemente (G1, G2) längs einer gedachten Mittellinie (m) des Bausteins (2) hintereinanderliegend und untereinander beab standet angeordnet sind.