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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetspeichervorrichtungen
und insbesondere auf einen Weichreferenzschicht-Magnetdirektzugriffspeicher
(häufig
als „MRAM" = magnetic random
access memory bezeichnet) in einer Vierleiter-Architektur.
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Heutige
Computersysteme werden zunehmend hochentwickelter und ermöglichen,
dass Benutzer eine stets steigende Vielfalt von Rechenaufgaben mit
immer schnelleren Raten durchführen.
Die Größe des Speichers
und die Geschwindigkeit, mit der auf denselben zugegriffen werden
kann, wirken sich stark auf die Gesamtgeschwindigkeit des Computersystems
aus.
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Im
Allgemeinen ist das Prinzip, das der Speicherung von Daten in magnetischen
Medien (Haupt- oder Massenspeicherung) zugrunde liegt, die Fähigkeit,
die relative Ausrichtung der Magnetisierung eines Speicherungsdatenbits
(d. h. den logischen Zustand einer „0" oder einer „1") zu verändern und/oder umzukehren.
Die Koerzitivität
eines Materials ist der Pegel einer Demagnetisierungskraft, der
an ein magnetisches Partikel angelegt werden muss, um die Magnetisierung
des Partikels zu reduzieren und/oder umzukehren. Allgemein gesagt,
je kleiner das magnetische Partikel, desto höher die Koerzitivität desselben.
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Eine
Magnetspeicherzelle des Stands der Technik kann eine Tunnel-Magnetowiderstand-Speicherzelle
(TMR = tunneling magneto-resistance), eine Riesen-Magnetowiderstand-Speicherzelle (GMR
= giant magneto-resistance) oder eine Kolossal-Magnetowiderstand-Speicherzelle
(CMR = colossal magneto-resistance) sein. Diese Typen eines magnetischen
Speichers werden häufig
als ein Magnetischer-Tunnelübergang- Speicher (MTJ = magnetic tunnel
junction) bezeichnet. 1A und 1B stellen eine perspektivische
Ansicht einer typischen Magnetspeicherzelle des Stands der Technik
mit zwei Leitern bereit. Wie es in 1A und 1B des Stands der Technik
gezeigt ist, umfasst ein Magnetischer-Tunnelübergang-Speicher 100 allgemein
eine Datenschicht 101 (auch eine Speicherungsschicht oder
Bitschicht genannt), eine Referenzschicht 103 und eine
Zwischenschicht 105 zwischen der Datenschicht 101 und
der Referenzschicht 103. Die Datenschicht 101, die
Referenzschicht 103 und die Zwischenschicht 105 können aus
einer oder mehreren Materialschichten hergestellt sein. Ein elektrischer
Strom und Magnetfelder können
durch einen elektrisch leitfähigen Zeilenleiter 107 und
einen elektrisch leitfähigen
Spaltenleiter 109 zu dem MTJ 100 geliefert werden.
Oft sind der Zeilen- und der Spaltenleiter im Wesentlichen transversal.
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Die
Datenschicht 101 ist gewöhnlich eine Schicht aus einem
magnetischen Material, die ein Bit von Daten als eine Magnetisierungsausrichtung
M2 speichert, die ansprechend auf die Anlegung eines externen Magnetfelds
oder von externen Magnetfeldern geändert werden kann. Genauer
gesagt kann die Magnetisierungsausrichtung M2 der Datenschicht 101,
die den logischen Zustand darstellt, von einer ersten Ausrichtung,
die einen logischen Zustand von „0" darstellt, zu einer zweiten Ausrichtung, die
einen logischen Zustand von „1" darstellt, und/oder
umgekehrt gedreht (umgeschaltet) werden.
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Die
Referenzschicht 103 ist gewöhnlich eine Schicht aus einem
magnetischen Material, bei der eine Magnetisierungsausrichtung M1
in eine vorbestimmte Richtung „festgelegt" (pinned), wie in
befestigt, ist. Die Richtung ist vorbestimmt und durch mikroelektronische
Verarbeitungsschritte eingerichtet, die bei der Fertigung der Magnetspeicherzelle
eingesetzt werden.
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Die
Datenschicht 101 und die Referenzschicht 103 kann
man sich als gestapelte Stabmagneten vorstellen, jeweils lang an
der X-Achse 111 und kurz an der Y-Achse 113. Die
Magnetisierung jeder Schicht weist eine starke Präferenz auf,
sich entlang der Leichtachse auszurichten, im Allgemeinen der langen
X-Achse 111. Die kurze Y-Achse 113 ist im Allgemeinen
die Schwerachse. Wie bei herkömmlichen Stabmagneten
weisen die Datenschicht und die Referenzschicht jeweils Magnetpole
auf, einer bei jedem Ende der Leichtachse. Die Linien einer Magnetkraft,
die die Datenschicht und die Referenzschicht umgeben, sind dreidimensional
und fließen
von dem Nord- zu dem Südpol.
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Typischerweise
hängt der
logische Zustand (eine „0" oder eine „1") einer Magnetspeicherzelle von
den relativen Magnetisierungsausrichtungen in der Datenschicht 101 und
der Referenzschicht 103 ab. Wenn z. B. eine elektrische
Potentialvorspannung über
die Datenschicht 101 und die Referenzschicht 103 in
einem MTJ 100 angelegt ist, wandern Elektronen zwischen
der Datenschicht 101 und der Referenzschicht 103 durch
die Zwischenschicht 105. Die Zwischenschicht 105 ist
typischerweise eine dünne
dielektrische Schicht, die gewöhnlich
als eine Tunnelbarriereschicht bezeichnet wird. Die Phänomene, die
die Wanderung von Elektronen durch die Barriereschicht bewirken,
können
als quantenmechanisches Tunneln oder Spintunneln bezeichnet werden.
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Bei
dem Modell eines Elementar-Stabmagneten fortfahrend, ist die Magnetisierung
der Datenschicht 101 frei, um sich zu drehen, aber weist
eine starke Präferenz
auf, sich in eine Richtung entlang der Leichtachse 111 der
Datenschicht 101 auszurichten. Die Referenzschicht 103 ist
gleichermaßen
entlang der Leichtachse 111 ausgerichtet, aber ist in eine
feste Ausrichtung festgelegt, derart, dass sich dieselbe nicht frei
dreht. Der logische Zustand kann durch ein Messen des Widerstandswerts
der Speicherzelle bestimmt werden. Falls z. B. die Gesamtausrichtung
der Magnetisie rung in der Datenschicht 101 parallel zu
der festgelegten Magnetisierungsausrichtung in der Referenzschicht 103 ist,
befindet sich die Magnetspeicherzelle in einem Zustand eines niedrigen
Widerstandswerts. Falls die Gesamtausrichtung der Magnetisierung
in der Datenschicht 101 antiparallel (entgegengesetzt)
zu der festgelegten Magnetisierungsausrichtung in der Referenzschicht 103 ist,
befindet sich die Magnetspeicherzelle in einem Zustand eines hohen
Widerstandswerts.
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In
einer idealen Umgebung wäre
die Ausrichtung des veränderbaren
Magnetfelds in der Datenschicht 101 entweder parallel oder
antiparallel mit Bezug auf das Feld der Referenzschicht 103.
Da sowohl die Datenschicht 101 als auch die Referenzschicht 103 allgemein
aus ferromagnetischen Materialien hergestellt sind und in enger
permanenter Nähe zueinander
positioniert sind, kann die im Allgemeinen stärkere Referenzschicht 103 die
Ausrichtung der Datenschicht 101 beeinflussen. Genauer
gesagt kann die Magnetisierung der Referenzschicht 103 ein Demagnetisierungsfeld
erzeugen, das sich von der Referenzschicht 103 in die Datenschicht 101 erstreckt.
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Das
Ergebnis dieses Demagnetisierungsfelds von der Referenzschicht 103 ist
ein Versatz bei dem Koerzitivschaltfeld. Dieser Versatz kann in
einer Asymmetrie bei den Schaltcharakteristika des Bits resultieren:
die Größe eines-Schaltfelds, die
benötigt wird,
um das Bit von einem parallelen zu einem antiparallelen Zustand
umzuschalten, ist von der Größe eines
Schaltfelds unterschiedlich, die benötigt wird, um das Bit von einem
antiparallelen Zustand zu einem parallelen Zustand umzuschalten.
Um zuverlässige
Schaltcharakteristika zu erreichen und um die Lesen-/Schreiben-Schaltungsanordnung
zu vereinfachen, ist es erwünscht,
diesen Versatz auf so nahe wie möglich
an Null zu reduzieren.
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Der
Magnetowiderstand ΔR/R
kann als einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis S/N
sehr ähnlich beschrieben
werden. Ein höheres
S/N resultiert in einem stärkeren
Signal, das erfasst werden kann, um den Zustand des Bits in der
Datenschicht zu bestimmen. Somit ist zumindest ein Nachteil einer
Tunnelübergangsspeicherzelle,
die eine festgelegte Referenzschicht in enger und fester Nähe zu der
Datenschicht aufweist, eine mögliche
Reduzierung bei dem Magnetowiderstand ΔR/R, die aus der Winkelverschiebung
resultiert.
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Um
die Referenzschicht während
einer Herstellung festzulegen, muss die Referenzschicht bei einem
Ausheilschritt auf eine erhöhte
Temperatur erwärmt
werden. Der Ausheilschritt dauert typischerweise Zeit, vielleicht
1 Stunde oder mehr. Da die Referenzschicht nur ein Teil des Speichers
ist, der hergestellt wird, wird typischerweise der ganze Speicher Temperaturen
unterzogen, die zwischen etwa 200 und 300 Grad Celsius liegen, während derselbe
unter dem Einfluss eines konstanten und fokussierten Magnetfelds
ist. Derartige Herstellungsbelastungen können bewirken, dass die Referenzschicht
unfestgelegt wird und die eingestellte Ausrichtung derselben verliert,
falls der Speicher später
hohen Temperaturen unterzogen ist. Zusätzlich können die Charakteristika der
Datenschicht ohne es zu wissen durch eine Wärme während einiger Herstellungsprozesse
beeinflusst werden.
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Obwohl
derselbe wirksam ist, ist der Prozess eines Lesens des gespeicherten
Bits etwas unerwünscht.
Im Allgemeinen werden die Zeile 107 und die Spalte 109 für einen
gegebenen MTJ 100 ausgewählt, ein Erfassungsstrom wird
angelegt und der Widerstandswert wird gemessen und als die anfängliche
Bedingung aufgezeichnet. Als nächstes
wird ein größerer Schreibstrom
angelegt, um die Datenschicht 101 in eine bekannte Ausrichtung
zu versetzen. Dann wird ein Erfassungsstrom wieder angelegt und
der Widerstandswert wird erneut gemessen. Der Wert, der aus einer
bekannten Ausrichtung bestimmt wird, wird dann mit dem Wert von
der anfänglichen Bedingung
verglichen. Die Werte sind entweder die gleichen oder unterschiedlich,
was eine Bestimmung des Datenwerts gestattet. Falls notwendig, wie
beispielsweise wenn die anfängliche
Position bestimmt ist, um zu der bekannten Ausrichtung entgegengesetzt
zu sein, kann ein Rückschreiben
durchgeführt werden,
um den ursprünglichen
anfänglichen
Wert zurückzuspeichern,
bzw. wiederherzustellen. Dieser Prozess ist als ein doppeltes Abtasten
bekannt – wobei
die erste Abtastung der anfängliche
Lesevorgang ist und die zweite nach dem Bekannte-Ausrichtung-Schreibvorgang
ist.
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Mehrere
Variationen eines redundanten Abtastens können bei einem doppelten Abtasten
durchgeführt
werden; der zugrundeliegende negative Aspekt bleibt jedoch unverändert – um den
Wert zu bestimmen, der in der Datenschicht 101 gespeichert
ist, ist es notwendig, den Wert in der Datenschicht 101 zu verändern. Eine
derartige Veränderung
bringt ein erhebliches Risikoelement einer Datenverfälschung ein,
falls ein Fehler während
der wiederholten Erfassungs- und Schreiboperationen auftreten sollte.
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Obwohl
Erfassungsoperationen für
den MTJ 100 weniger fordernd und ermüdend sind, ist der physische
Entwurf des MTJ 100 typischerweise durch die Belastungen
diktiert, die durch den Schreibprozess auferlegt werden, da sowohl
die Erfassungs- als auch die Schreiboperation unter Verwendung der gleichen
Zeilen- und Spaltenleiter 107 und 109 durchgeführt werden.
Da das Schreibmagnetfeld typischerweise durch einen Strom erzeugt
wird, der an den Zeilen- 107 und den Spaltenleiter 109 angelegt wird,
die sich in einem elektrischen Kontakt mit dem MTJ 100 befinden,
ist es erwünscht,
dass der MTJ 100 robust genug ist, um dem angelegten Strom standzuhalten.
Entwurfs- und Herstellungsfragen sind deshalb im Allgemeinen auf
die Erfordernisse fokussiert, die durch die Schreiboperation auferlegt werden,
wie beispielsweise ein größerer elektrischer Strom
und größere Magnetfelder,
höhere
angelegte Spannungen, robustere Charakteris tika bei der Leistungsversorgung,
dem Zeilen- 107 und dem Spaltenleiter 109 und
geeigneten Pufferräumen.
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Mit
Bezug auf Magnetspeicherkomponenten ist es gut bekannt, dass, wenn
sich eine Größe verringert,
sich eine Koerzitivität
erhöht.
Eine große
Koerzitivität
ist im Allgemeinen unerwünscht,
da dieselbe erfordert, dass ein größeres Magnetfeld umgeschaltet
wird, was wiederum eine größere Leistungsquelle
und möglicherweise
größere Schalttransistoren
erfordert. Ein Vorsehen von großen
Leistungsquellen und großen
Schalttransistoren steht im Allgemeinen dem Fokus einer Nanotechnologie,
die notwendige Größe von Komponenten
zu reduzieren, entgegen. Um zusätzlich
die Möglichkeit
eines unbeabsichtigten Umschaltens einer benachbarten Speicherzelle
zu mäßigen, sind
nanometer-skalierte Speicherzellen im Allgemeinen relativ zu der
Gesamtgröße derselben
weiter beabstandet, als es größere, nicht-nanometergroße Speicherzellen
sind. Wenn sich die Größe des Magnetspeichers
verringert, erhöht
sich außerdem
tendenziell der unbenutzte Raum zwischen einzelnen Speicherzellen.
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Bei
einem typischen MRAM-Array wird außerdem eventuell eine erhebliche
Größe eines
Gesamtraums einfach verwendet, um einen physischen Puffer zwischen
den Zellen vorzusehen. Ein Eliminieren dieses Pufferraums oder ein
anderweitiges Reduzieren des Verhältnisses desselben kann ein
größeres Speicherungsvolumen
in dem gleichen physischen Raum bereitstellen.
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Diese
Fragen von Lese- gegenüber
Schreibströmen,
einer Robustheit von Leitern und Leistungsversorgungen, einer Reduzierung
bei einer Größe, wobei
eine Koerzitivität
erhöht
wird, und eines entsprechend größeren Magnetfelds,
und ein aktueller Entwurf der Magnetspeicherzellen übertragen
sich auch auf den Entwurf und die Verwendung von Magnetfeldsensoren.
Magnetfeldsensoren werden häufig in
Festplatten-Lesezellen und -Leseköpfen verwendet. Bei einer derartigen
Implementierung wird die Datenschicht 101 als eine Erfassungsschicht
bezeichnet und wird durch das Magnetfeld ausgerichtet, das von einem
Speicherungsbit in der Nähe
des Lesekopfs ausstrahlt.
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Somit
besteht ein Bedarf nach einem Magnetspeicher mit ultrahoher Dichte,
der einen oder mehrere der oben identifizierten Nachteile überwindet.
Die vorliegende Erfindung erreicht dieses Ziel unter anderem.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeichervorrichtung,
eine Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeicherzelle, ein Verfahren
zum nicht-zerstörerischen
Bestimmen eines Datenwerts in einer Magnetspeichervorrichtung und
ein Computersystem mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch
1 und Anspruch 9, eine Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeicherzelle
gemäß Anspruch
13 und Anspruch 19, ein Verfahren gemäß Anspruch 24, Anspruch 31
und Anspruch 36 und ein Computersystem gemäß Anspruch 41 gelöst.
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Die
Erfindung stellt eine Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeichervorrichtung bereit.
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Insbesondere
und lediglich durch ein Beispiel stellt gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung diese Erfindung eine Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeichervorrichtung
bereit, die folgende Merkmale umfasst: eine Mehrzahl von parallelen,
elektrisch leitfähigen
ersten Erfassungsleitern; eine Mehrzahl von parallelen, elektrisch leitfähigen zweiten
Erfassungsleitern, die die ersten Erfassungsleiter kreuzen, wodurch
ein Koppelpunkt-Erfassungsarray
mit einer Mehrzahl von Schnittbereichen gebildet ist; eine Mehrzahl
von Weichreferenz-Magnetischer-Tunnelübergang-Speicherzellen,
wobei jede Zelle in einem elektrischen Kontakt mit und bei einem
Schnittbereich zwischen einem ersten Erfassungsleiter und einem
zweiten Erfassungsleiter positioniert ist, wobei die Speicherzellen
ein Material mit einer veränderbaren
Magnetisierungsausrichtung umfassen; eine Mehrzahl von parallelen,
elektrisch leitfähigen
Schreibzeilen im Wesentlichen in der Nähe von und elektrisch getrennt bzw.
isoliert von den ersten Erfassungsleitern; und eine Mehrzahl von
parallelen elektrisch leitfähigen Schreibspalten,
die die Schreibzeilen kreuzen, im Wesentlichen in der Nähe von und
elektrisch getrennt bzw. isoliert von den zweiten Erfassungsleitern,
wodurch ein Koppelpunkt-Schreibarray mit einer Mehrzahl von Schnittbereichen
gebildet ist.
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Außerdem kann
die Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel
derselben eine Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeicherzelle bereitstellen,
die folgende Merkmale umfasst: zumindest eine ferromagnetische Datenschicht,
die durch eine veränderbare
Magnetisierungsausrichtung gekennzeichnet ist; eine Zwischenschicht
in Kontakt mit der Datenschicht; zumindest eine ferromagnetische
Weichreferenzschicht in Kontakt mit der Zwischenschicht gegenüber der
Datenschicht, wobei die Weichreferenzschicht eine nicht-festgelegte
Magnetisierungsausrichtung und eine niedrigere Koerzitivität als die
Datenschicht aufweist; zumindest einen ersten Erfassungsleiter in
einem elektrischen Kontakt mit der Weichreferenzschicht gegenüber der
Zwischenschicht; zumindest einen zweiten Erfassungsleiter in einem
elektrischen Kontakt mit der Datenschicht gegenüber der Zwischenschicht; zumindest
einen Schreibspaltenleiter im Wesentlichen in der Nähe von und
elektrisch getrennt von dem zweiten Erfassungsleiter; und zumindest
einen Schreibzeilenleiter im Wesentlichen in der Nähe von und
elektrisch getrennt von dem ersten Erfassungsleiter.
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Bei
noch einem anderen Ausführungsbeispiel
kann die Erfindung ein Verfahren zum nicht-zerstörerischen Bestimmen eines Datenwerts
in einer Magnetspeichervorrichtung bereit stellen, die eine Mehrzahl
von Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeicherzellen
aufweist, wobei jede Zelle eine Weichreferenzschicht, einen Satz
von Erfassungsleitern in einem elektrischen Kontakt mit der Zelle
und einen Satz von Schreibleitern, die elektrisch von der Zelle getrennt
sind, umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Auswählen einer
gegebenen Magnetspeicherzelle; Liefern eines anfänglichen Erfassungsstroms zu
zumindest einem Erfassungsleiter; Erzeugen eines anfänglichen
Erfassungsmagnetfelds in der Nähe
der gegebenen Speicherzelle; Festlegen der Weichreferenzschicht
während
des Betriebs bei einer Ausrichtung mit dem anfänglichen Erfassungsmagnetfeld;
Messen eines anfänglichen
Widerstandswerts der gegebenen Zelle; Speichern des anfänglichen
Widerstandswerts; Erzeugen eines zweiten bekannten Erfassungsmagnetfelds
in der Nähe
der gegebenen Speicherzelle und Ausrichten der Weichreferenzschicht
bei einer zweiten bekannten Ausrichtung; Messen eines zweiten Widerstandswerts
der gegebenen Zelle mit der Weichreferenz bei der zweiten bekannten
Ausrichtung; Speichern des zweiten Widerstandswerts als einen Referenzwiderstandswert;
Vergleichen des anfänglichen
Widerstandswerts mit dem Referenzwiderstandswert; und Zurückgeben
eines logischen Pegels, der dem verglichenen Zustand zugeordnet
ist.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der bevorzugten Vorrichtung und
des Verfahrens werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit. den zugehörigen
Zeichnungen ersichtlich, die durch ein Beispiel die Grundlagen der
Erfindung darstellen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1A bis 1B perspektivische
Ansichten einer Magnetspeicher zelle des Stands der Technik, die
zwei Leiter aufweist;
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2A eine
Draufsicht eines Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeichers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2B eine
Draufsicht eines Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeichers gemäß einem alternativen bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3A und 3B Draufsichten
des Speichers gemäß 2A und 2B;
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4 eine
teilweise perspektivische Ansicht des Koppelpunkt-Arrays des Speichers
von 3B;
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5A bis 7B teilweise
perspektivische Ansichten des Speichers von 2A und 2B mit Bezug
auf die erzeugten Erfassungsmagnetfelder;
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8 ein
Flussdiagramm, das die Schritte eines nicht-zerstörerischen Erfassens des Datenwerts
innerhalb des Speichers gemäß 2A und 2B zeigt.
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Bevor
mit der detaillierten Beschreibung fortgefahren wird, wird darauf
hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine Verwendung
oder Anwendung in Verbindung mit einem spezifischen Typ eines Computersystems,
eines Betriebssystems oder eines nicht-flüchtigen Speichers, Haupt- oder Sekundär-, begrenzt
ist. Obwohl die vorliegende Erfindung zur Zweckmäßigkeit einer Erläuterung
mit Bezug auf typische exemplarische Ausführungsbeispiele gezeigt und
beschrieben ist, ist somit zu erkennen, dass diese Erfindung bei
anderen Typen von Computersystemen, eines Betriebssystems und eines
nicht-flüchtigen
Speichers angewendet werden kann.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf 2A ist
ein Abschnitt eines Magnetspeichers 200 gezeigt, der zumindest
eine Weichreferenz-Speicherzelle 202 und vier Leiter aufweist,
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel
ist die Magnetspeicherzelle 202 eine Weichreferenz-Magnetischer-Tunnelübergang-Speicherzelle
(Weichreferenz-MTJ-Speicherzelle), die zumindest einen ersten Erfassungsleiter 218,
zumindest einen zweiten Erfassungsleiter 220, zumindest
einen Schreibzeilenleiter 222 und zumindest einen Schreibspaltenleiter 224 aufweist.
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Die
Weichreferenz-Magnetspeicherzelle 202 selbst weist eine
ferromagnetische Datenschicht 212, eine Zwischenschicht 214 und
eine ferromagnetische Weichreferenzschicht 216 auf. Die
ferromagnetische Datenschicht 212 erlaubt das Speichern
eines Bits von Daten als eine veränderbare Magnetisierungsausrichtung
M2. Die Zwischenschicht 214 weist gegenüberliegende Seiten auf, derart,
dass die Datenschicht 212 in Kontakt mit einer Seite in
einer direkten Ausrichtung mit und im Wesentlichen einheitlich beabstandet
von der Weichreferenzschicht 216 ist, die in Kontakt mit
der zweiten Seite der Zwischenschicht 214 ist. Die Weichreferenzschicht 216 ist
durch eine nicht-festgelegte Magnetisierungsausrichtung M1 und eine
niedrigere Koerzitivität
als die Datenschicht 212 gekennzeichnet.
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Die
ferromagnetische Datenschicht 212 und die Weichreferenzschicht 216 können aus
einem Material hergestellt sein, das folgendes umfasst, aber nicht
darauf begrenzt ist: Nickeleisen (NiFe), Nickeleisen-Kobalt (NiFeCo),
Kobalteisen (CoFe) und Legierungen derartiger Metalle. Zusätzlich können sowohl
die Weichreferenzschicht 216 als auch die Datenschicht 212 aus
mehreren Materialschichten gebildet sein. Für eine konzeptionelle Einfachheit
und eine leichte Erörterung
jedoch wird jede Schichtkomponente hierin als eine einzige Schicht
erörtert.
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Wie
es gezeigt ist, befindet sich zumindest ein erster Erfassungsleiter 218 in
einem elektrischen Kontakt mit der Weichreferenzschicht 216 gegenüber der
Zwischenschicht 214. Zumindest ein zweiter Erfassungsleiter 220 befindet
sich in einem elektrischen Kontakt mit der Datenschicht 212 gegenüber der
Zwischenschicht 214. Zusätzlich weist der Magnetspeicher 200 zumindest
einen Schreibzeilenleiter 222 im Wesentlichen in der Nähe von und
elektrisch getrennt von dem ersten Erfassungsleiter 218 und zumindest
einen Schreibspaltenleiter 224 im Wesentlichen in der Nähe von und
elektrisch getrennt von dem zweiten Erfassungsleiter 220 auf.
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Bei
zumindest einem alternativen Ausführungsbeispiel, das in 2B gezeigt
ist, weist die Weichreferenzschicht 216 den ersten Erfassungsleiter 218 und
eine ferromagnetische Umhüllung 226 auf,
die den ersten Erfassungsleiter vollständig umgibt, um einen ferromagnetischen,
umhüllten
ersten Erfassungsleiter 218 zu bilden, der hierin als ein
umhüllter
erster Erfassungsleiter bezeichnet wird. Eine Zwischenschicht 214 ist
in einem Kontakt mit der Weichreferenzschicht 216. Zumindest
eine ferromagnetische Datenschicht 212 befindet sich in
einem Kontakt mit der Zwischenschicht gegenüber der Weichreferenzschicht.
Ein zweiter Erfassungsleiter 220 befindet sich in einem
Kontakt mit der Datenschicht 212 gegenüber der Zwischenschicht 214.
Zumindest ein Schreibspaltenleiter 224 ist im Wesentlichen
in der Nähe
von und elektrisch getrennt von dem zweiten Erfassungsleiter. Zumindest
ein Schreibzeilenleiter 222 ist im Wesentlichen in der Nähe von und
elektrisch getrennt von der Weichreferenzschicht 216 gegenüber dem
Schreibspaltenleiters 224.
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Unter
geeigneten Umständen
bei einer Fertigung kann eine ferromagnetische Abdeckung 228, die
aus im Wesentlichen dem gleichen Material wie die Umhüllung 226 besteht,
sich in Kontakt mit der Zwischenschicht 214 befinden. Wenn
eine Abdeckung 228 vorgesehen ist, wirken die Umhüllung 226 des
ersten Erfassungsleiters 218 und die Abdeckung 228 im
Wesentlichen als ein vereinigtes Ganzes. Genau gesagt ist die Abdeckung 228 optional.
Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel
ist keine getrennte Abdeckung 228 vorgesehen und die Umhüllung 226 befindet
sich in einem direkten Kontakt mit der Zwischenschicht 214.
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Ferner
weist die Umhüllung 226 eine
zugeschnittene Dicke auf, die einen dünneren Abschnitt entlang einem
Abschnitt der Umhüllung
umfasst, der sich in einem Kontakt mit der Zwischenschicht 214 oder
der Abdeckung 228, falls vorhanden, befindet. Die Umhüllung 226 weist
einen dickeren Abschnitt entlang diesen Abschnitten der Umhüllung auf,
die sich nicht in einem Kontakt mit der Zwischenschicht 214 oder
der Abdeckung 228, falls vorhanden, befinden. Die Umhüllung 226 dient
dazu, das Magnetfeld, das durch den ersten Erfassungsleiter 218 erzeugt wird,
im Wesentlichen zu enthalten, wie es unten ausführlicher erörtert ist.
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Wie
es sowohl in 3A als auch 3B gezeigt
ist, kann die elektrische Trennung bzw. Isolation des Schreibzeilenleiters 222 und
des Schreibspaltenleiters 224 durch eine physische Beabstandung
erreicht werden. Unter geeigneten Umständen kann eine derartige Trennung
bzw. Isolation mit der Verwendung eines Materials, wie beispielsweise
eines Dielektrikums, erreicht werden.
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3A stellt
konzeptionell einen größeren Abschnitt
des Magnetspeichers 200 dar, bei dem die MTJ-Zellen 202, 300, 302 und 304 durch
eine Mehrzahl von ersten Erfassungsleitern (218, 306)
und eine Mehrzahl von zweiten Erfassungsleitern (220, 308, 310)
in Reihe geschaltet sind. Wie es gezeigt ist, ist eine Mehrzahl
von parallelen, elektrisch leitfähigen Schreibzeilenleitern 222, 314, 316 und 318 im
Wesentlichen in der Nähe
von und elektrisch getrennt von den ersten Erfassungsleitern 218 und 306 positioniert.
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Eine
Mehrzahl von parallelen elektrisch leitfähigen Schreibspalten 224 kreuzt
die Schreibzeilen 222, 314, 316 und 318 und
ist im Wesentlichen in der Nähe
von oder elekt risch getrennt von den zweiten Erfassungsleitern 220, 308 und 310.
Genauer gesagt ist bei zumindest einem Ausführungsbeispiel die Schreibzeile 222 transversal
zu der Schreibspalte 224. Folglich bilden die Schreibspalten
und -zeilen ein Koppelpunkt-Schreibarray mit einer Mehrzahl von Schnittbereichen.
Da 3A eine Draufsicht ist, ist lediglich der Schreibspaltenleiter 224 gezeigt.
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Wenn
dieselben in Reihe angeordnet sind, sind der erste und der zweite
Erfassungsleiter im Wesentlichen dünn und weisen eine Länge von
gerade über
dem Zweifachen der Breite der MTJ-Zelle 202 auf. Bei zumindest
einem Ausführungsbeispiel
sind der erste und der zweite Erfassungsleiter aus Tantal gefertigt.
Jeder Erfassungsleiter kann als einen Kopf 320 und ein
Ende 322 aufweisend beschrieben werden. Der erste und der
zweite Erfassungsleiter sind vertikal ausgerichtet und horizontal
beabstandet, so dass der Kopf 320 des ersten Erfassungsleiters 306 das
Ende 322 des zweiten Erfassungsleiters 308 überlappt.
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Gleichermaßen überlappt
das Ende 322 des ersten Erfassungsleiters 218 den
Kopf 320 des zweiten Erfassungsleiters 308. Die
Mehrzahl von MTJ-Zellen sind demgemäß platziert, eine Zelle bei jedem
Punkt einer Kopf-und-Ende-Überlappung.
Die Platzierung jeder Weichreferenz-MTJ-Zelle ist ebenfalls im Wesentlichen
in einer Ausrichtung mit den Schnittbereichen des Koppelpunkt-Schreibarrays.
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3B stellt
konzeptionell einen größeren Abschnitt
des Magnetspeichers 200 dar, bei dem die Mehrzahl von MTJ-Zellen 202, 340, 342 und 344 in einem
Koppelpunkt-Array angeordnet ist (siehe 4). Wie
es gezeigt ist, umfasst das Koppelpunkt-Array 400 eine
Mehrzahl von parallelen, elektrisch leitfähigen ersten Erfassungsleitern 218, 332, 334 und 336.
Eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen zweiten Erfassungsleitern 220 ist
unter den und die ersten Erfassungsleiter kreuzend positioniert,
wodurch ein Koppelpunkt-Erfassungsarray mit einer Mehrzahl von Schnittberei chen
gebildet wird. Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel sind die zweiten Erfassungsleiter 220 transversal
zu den ersten Erfassungsleitern 218, 332, 334 und 336.
Eine Mehrzahl von Weichreferenz-MTJ-Zellen 202, 340, 342 und 344 ist
vorgesehen. Jede Zelle ist in einem elektrischen Kontakt mit und
bei einem Schnittbereich zwischen einem gegebenen ersten Erfassungsleiter bzw.
einem gegebenen zweiten Erfassungsleiter positioniert.
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Eine
Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Schreibzeilen 222, 346, 348 und 350 ist
im Wesentlichen in der Nähe
von und elektrisch getrennt von den ersten Erfassungsleitern 218, 332, 334 und 336 positioniert.
Eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Schreibspalten 224 ist
im Wesentlichen in der Nähe von
und elektrisch getrennt von den zweiten Erfassungsleitern 220 positioniert.
Zusätzlich
sind die Schreibspalten im Wesentlichen transversal zu den Schreibzeilen,
wodurch ein Koppelpunkt-Schreibarray mit einer Mehrzahl von Schnittbereichen
gebildet wird. Die Platzierung jeder Weichreferenz-MTJ-Zelle 202, 340, 342 und 344 ist
im Wesentlichen in einer Ausrichtung mit den Schnittbereichen des
Koppelpunkt-Schreibarrays.
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4 stellt
eine teilweise perspektivische Ansicht der Erfassen- und Schreiben-Koppelpunkt-Architektur
bereit, die in 3B dargestellt ist. Die Komponentenstrukturen
des MTJ 340 und 340' sind
parallel zu diesen der MTJ 202. Wie es gezeigt ist, sind
die ersten Erfassungsleiter 218 und 332 im Wesentlichen
parallel zu den Schreibzeilenleitern 222 und 346 und
die zweiten Erfassungsleiter 220 und 220' sind im Wesentlichen
parallel zu den Schreibspaltenleitern 224 und 224'. Es ist klar,
dass diese Anordnung für
eine leichte konzeptionelle Darstellung bereitgestellt wurde und
unter geeigneten Umständen
diese parallelen Beziehungen eventuell nicht eingesetzt werden.
Zusätzlich
wurden die Konventionen von ersten und zweiten Erfassungsleitern und
Schreibzeilen- und Schreibspaltenleitern für eine leichte Erörterung
hierin gewählt.
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Das
Phänomen,
das den Widerstandswert in der MTJ 202 bewirkt, ist auf
dem Magnetspeichergebiet gut ersichtlich und ist für TMR-Speicherzellen
gut ersichtlich. GMR- und CMR-Speicherzellen
weisen ein ähnliches
magnetisches Verhalten auf, aber der Magnetowiderstand derselben
entsteht aus unterschiedlichen physikalischen Wirkungen, da die
elektrischen Leitungsmechanismen unterschiedlich sind. Bei einer
TMR-basierten Speicherzelle z. B. wird das Phänomen als ein quantenmechanisches
Tunneln oder spinabhängiges
Tunneln bezeichnet. Bei einer TMR-Speicherzelle ist die Zwischenschicht 214 eine dünne Barriere
aus einem dielektrischen Material, durch die Elektronen quantenmechanisch
zwischen der Datenschicht 212 und der Weichreferenzschicht 216 tunneln.
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Bei
einer GMR-Speicherzelle ist die Zwischenschicht 214 eine
dünne Abstandhalterschicht aus
einem nichtmagnetischen, aber leitenden Material. Hier ist die Leitung
eine spinabhängige
Streuung von Elektronen, die zwischen der Datenschicht 212 und
der Weichreferenzschicht 216 durch die Zwischenschicht 214 verlaufen.
In jedem Fall erhöht oder
verringert sich der Widerstandswert zwischen der Datenschicht 212 und
der Weichreferenzschicht 216 abhängig von den relativen Ausrichtungen
der Magnetfelder M1 und M2. Es ist diese Differenz bei einem Widerstandswert,
die erfasst wird, um zu bestimmen, ob die Datenschicht 212 einen
logischen Zustand von „0" oder einen logischen
Zustand von „1" speichert.
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Bei
zumindest einem Ausführungsbeispiel
ist die Zwischenschicht 214 eine Tunnelschicht, die aus einem
elektrisch isolierenden Material (einem Dielektrikum) hergestellt
ist, das die Datenschicht 212 von der Weichreferenzschicht 216 trennt
und elektrisch trennt. Geeignete dielektrische Materialien für die dielektrische
Zwischenschicht 214 können
folgende umfassen, aber sind nicht darauf begrenzt: Siliziumoxid
(SiO2), Magnesiumoxid (MgO), Siliziumnitrid (SiNX), Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlNX) und
Tantaloxid (TaOX).
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Bei
zumindest einem anderen Ausführungsbeispiel
ist die Zwischenschicht 214 eine Tunnelschicht, die aus
einem nicht-magnetischen Material hergestellt ist, wie beispielsweise
einem 3d-, einem 4d- oder einem 5d-Übergangsmetall, das in dem
Periodensystem der Elemente aufgelistet ist. Geeignete nicht-magnetische
Materialien für
eine nicht-magnetische
Zwischenschicht 214 können
folgende umfassen, aber sind nicht darauf begrenzt: Kupfer (Cu), Gold
(Au) und Silber (Ag). Während
die tatsächliche Dicke
der Zwischenschicht 214 von den Materialien abhängig ist,
die ausgewählt
sind, um die Zwischenschicht 214 zu erzeugen, und von dem
Typ einer erwünschten
Tunnelspeicherzelle, kann die Zwischenschicht 214 allgemein
eine Dicke von in etwa 0,5 nm bis in etwa 5,0 nm aufweisen.
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Wie
es oben angemerkt ist, wird die Weichreferenzschicht 216 so
genannt, weil die Richtung einer Magnetisierungsausrichtung M1 dynamisch
zu einer bekannten Richtung gesetzt werden kann. Ein derartiges
dynamisches Setzen kann durch ein Magnetfeld oder Magnetfelder erreicht
werden, das oder die durch einen extern zugeführten Strom bereitgestellt wird
oder werden, der durch zumindest einen Erfassungsleiter fließt. Unter
geeigneten Umständen,
wie beispielsweise der Reihenanordnung, die in 3A gezeigt
ist, kann das dynamische Setzen durch ein Magnetfeld oder Magnetfelder
erreicht werden, das oder die durch einen extern zugeführten Strom
bereitgestellt wird oder werden, der durch zumindest einen Schreibleiter
fließt.
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Die
Verwendung einer Weichreferenzschicht weist mehrere vorteilhafte
Vorzüge
bei dem MTJ 202 auf. Da eine Weichreferenzschicht in einer
Ausrichtung im Wesentlichen nicht fest ist, ist es eventuell nicht
notwendig, den MTJ 202 während einer Herstellung hohen
Temperaturen zu unterziehen, wie es oft erforderlich ist, um eine
feste Referenz schicht einzurichten. Zusätzlich reduziert das Fehlen
eines wesentlichen und konstanten Magnetfelds in der Referenzschicht
die Wahrscheinlichkeit, dass ein Demagnetisierungsfeld von der Referenzschicht
auf die Datenschicht wirkt, wobei so der Versatz bei dem Koerzitivschaltfeld
reduziert ist.
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Die
Verwendung von vier Leitern, die als zwei zum Erfassen und zwei
zum Schreiben gruppiert sind, liefert mehrere Vorteile gegenüber dem Stand
der Technik. Die Schreiboperation ist davon abhängig, dass ein ausreichendes
Magnetschaltfeld bereitgestellt wird, um die Koerzitivität der Datenschicht 212 zu überwinden
und die Magnetisierung M2 derselben in eine erwünschte Richtung auszurichten.
Diese Operation ist nicht von dem Stromfluss durch die MTJ-Zelle 202 abhängig.
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Da
der Schreibzeilen- und der -spaltenleiter 222, 224 elektrisch
von den Erfassungsleitern getrennt sind und somit durch eine Implikation
elektrisch von der MTJ-Zelle 202 getrennt sind, kann eine größere Spannung
an den Schreibzeilen- und den -spaltenleiter angelegt werden, um
zu bewirken, dass ein größerer Strom
an den Schreibzeilen- und
den -spaltenleiter 222 und 224 angelegt wird,
als anderweitig an die MTJ-Zelle 202 angelegt werden könnte. Ein
Bereitstellen des Schaltfelds, ohne zu erfordern, dass die MTJ-Zelle 202 den
erforderlichen hohen Strom aushaltenmuss, reduziert die Wahrscheinlichkeit
einer Ermüdung
und/oder eines Ausfalls der MTJ-Zelle 202.
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Zusätzlich ermöglicht die
Verwendung einer Weichreferenzschicht innerhalb der Vierleiter-Architektur
die Bestimmung des Datenbits, das in der Datenschicht 212 gespeichert
ist, ohne das Datenbit auf zerstörerische
Weise zu überschreiben
und wiederzubeschreiben. Als solches wird eine wesentliche Gelegenheit
für eine
unbeabsichtigte Datenverfälschung
vorteilhaft vermieden.
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Genauer
gesagt wird während
einer Leseoperation die weichferromagnetische Referenzschicht durch
ein Erfassungsmagnetfeld während
des Betriebs zu einer erwünschten
Ausrichtung festgelegt, das durch zumindest einen Erfassungsstrom
erzeugt wird, der in zumindest einem Erfassungsleiter oder einem
Schreibleiter fließt.
Dieses erzeugte Magnetfeld ist nicht ausreichend, um die Ausrichtung
der Datenschicht zu beeinflussen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel,
bei dem die Weichreferenzschicht 216 den ersten Erfassungsleiter 218 mit
der ferromagnetischen Umhüllung 226 umfasst,
ist das Erfassungsmagnetfeld im Wesentlichen innerhalb der ferromagnetischen
Enthüllung
enthalten und ist nicht ausreichend, um die Ausrichtung der Datenschicht 212 zu
beeinflussen. Bei noch einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel,
bei dem die MTJ-Zellen 202 in Reihe geschaltet sind, wird
während
einer Leseoperation die ferromagnetische Weichreferenzschicht während des
Betriebs zu einer erwünschten
Ausrichtung durch ein Erfassungsmagnetfeld festgelegt, das durch
zumindest einen Erfassungsstrom erzeugt wird, der in zumindest einem Schreibleiter
fließt,
wobei das Erfassungsmagnetfeld nicht ausreichend ist, um die Ausrichtung
der Datenschicht 212 zu beeinflussen.
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Während einer
Schreiboperation wird ein kombiniertes Schreibmagnetfeld durch einen Schreibstrom
erzeugt, der in dem Schreibzeilen- 222 und dem Schreibspaltenleiter 224 fließt, wobei
das kombinierte Magnetfeld ausreichend ist, um die Datenschicht 212 auszurichten.
Die Wirkung des Felds auf die Weichreferenzschicht 216 ist
im Wesentlichen ohne Belang, da die Ausrichtung M1 derselben nicht fest
ist und wieder ansprechen wird, wenn ein geeignetes Erfassungsmagnetfeld
angelegt ist. Unter geeigneten Umständen können die Schreibzeile 222 und
die Schreibspalte 224 im Wesentlichen mit einer ferromagnetischen
Umhüllung
beschichtet sein, um die Ausbreitung von Schreibmagnetfeldern zu
minimieren.
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Nachdem
das obige physische Ausführungsbeispiel
des Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeichers 200 beschrieben
wurde, wird nun ein anderes Ausführungsbeispiel
bezüglich
des Verfahrens zur Verwendung bei einem nicht-zerstörerischen
Bestimmen des Werts, der in der Datenschicht 212 gehalten ist,
mit Bezug auf 5A–5B und 6A–6B,
die ein Koppelpunkt-Array darstellen, 7A–7B,
die ein Reihenarray darstellen, und das Flussdiagramm von 8 beschrieben.
Es ist ersichtlich, dass das beschriebene Verfahren nicht in der
Reihenfolge durchgeführt
werden muss, in der es hierin beschrieben ist, sondern dass diese
Beschreibung lediglich exemplarisch für zumindest ein Verfahren zum
Verwenden eines Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeichers 200 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist. Außer
der ersten „2" bei den Bezugszeichen,
die in den Figuren oben verwendet werden, ist der Rest der Bezugszeichen
in 5A–7B ähnlich denselben,
die in anderen Figuren verwendet werden, um eine Ähnlichkeit
anzugeben.
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Wie
es in dem Flussdiagramm von 8 angegeben
ist, wird die Auswahl einer gegebenen Magnetspeicherzelle bei einem
Schritt 800 aus einer Speichervorrichtung vorgenommen,
die eine Mehrzahl von Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeicherzellen
aufweist, wobei jede Zelle einen Satz von Erfassungsleitern in einem
elektrischen Kontakt mit der Zelle und einen Satz von Schreibleitern,
die elektrisch von der Zelle getrennt sind, umfasst.
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Genauer
gesagt stellen 5A und 5B konzeptionell
die perspektivische Ansicht einer ausgewählten MTJ-Zelle 502 dar,
die im Wesentlichen der Speicherzelle 202 ähnlich ist,
die oben beschrieben ist. Die MTJ-Zelle 502 weist zumindest
eine ferromagnetische Datenschicht 512, eine Zwischenschicht 514 und
eine ferromagnetische Weichreferenzschicht 516 auf. Die
ferromagnetische Datenschicht 512 ermöglicht das Speichern eines
Bits von Daten als eine veränderbare
Magnetisierungsausrichtung M2. Die Zwischenschicht 514 weist
gegenüberliegende
Seiten auf, derart, dass die Datenschicht 512 in Kontakt
mit einer Seite in einer direkten Ausrichtung mit und im Wesentlichen
einheitlich beabstandet von der Weichreferenzschicht 516 ist,
die in Kontakt mit der zweiten Seite der Zwischenschicht 514 ist.
Die Weichreferenzschicht 516 ist durch eine nicht-festgelegte
Magnetisierungsausrichtung M1 und eine niedrigere Koerzitivität als die
Datenschicht 512 gekennzeichnet.
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Der
gezeigte perspektivische Querschnitt stellt den Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeicher 200 in
einer Koppelpunkt-Architektur dar. Der erste Erfassungsleiter 518 ist
in einem elektrischen Kontakt mit der Weichreferenzschicht 516 und
ist im Wesentlichen transversal zu dem zweiten Erfassungsleiter 520 in
einem elektrischen Kontakt mit der Datenschicht 512. Der
Schreibzeilenleiter 522 ist im Wesentlichen in der Nähe von und
elektrisch getrennt von dem ersten Erfassungsleiter 518.
Der Schreibspaltenleiter 524 ist gleichermaßen im Wesentlichen in
der Nähe
von und elektrisch getrennt von dem zweiten Erfassungsleiter 520.
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In
einem entspannten Zustand, bei dem kein Strom angelegt ist, d. h.
der Betrag des Stroms im Wesentlichen etwa Null ist, ist die Ausrichtung
M1 der Weichreferenzschicht 516 antiparallel zu der Ausrichtung
M2 der Datenschicht 512. Dies rührt von den Prinzipien eines
magnetischen Koppelns her. Einfach gesagt wird der Nordpol eines
Magneten zu dem Südpol
eines anderen Magneten angezogen und umgekehrt. Da die Weichreferenzschicht 516 keine
feste Ausrichtung aufweist, richtet sich, wenn keine anderen Magnetfelder
vorhanden und vorrangig sind, dieselbe aus, um entgegengesetzt zu
der Datenschicht 512 zu sein, wobei so der Nordpol derselben
bei dem Südpol
und der Südpol
bei dem Nordpol vorgesehen ist. Diese Ausrichtung eines antiparallelen
entspannten Zustands ist dadurch unbeeinflusst, dass die MTJ-Zelle 502 in
einem Reihenarray oder Koppelpunkt-Array platziert ist.
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Bei
einem Koppelpunkt-Array wird bei einer Operation 802 ein
anfänglicher
Erfassungsstrom bereitgestellt. Genauer gesagt kann der anfängliche
Erfassungsstrom als zumindest zwei Komponenten aufweisend beschrieben
werden – Is,
der dazu dient, das Magnetfeld zu erzeugen und die Weichreferenzschicht
auszurichten, und IR, der durch die MTJ-Zelle 502 verläuft und
die Messung eines Widerstandswerts ermöglicht. Bei zumindest einem
Ausführungsbeispiel
weist der anfängliche
Erfassungsstrom eine im Wesentlichen niedrige IS-Komponente
auf. Als solches ermöglicht
die IR-Komponente,
dass der Widerstandswert gemessen wird, während M2 sich im Wesentlichen
in dem entspannten, natürlichen,
antiparallelen Zustand mit Bezug auf M1 befindet.
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Der
Widerstandswert der MTJ-Zelle 502 wird gemessen und als „R1" aufgezeichnet, wie
es in Blöcken 806 und 808 angegeben
ist. Der anfängliche
Erfassungsstrom, der bereitgestellt wird, kann in eine beliebige
Richtung angelegt werden, die nicht unmittelbar bekannt ist. Es
ist deshalb allgemein vorteilhaft, eine Referenz für einen
Vergleich vorzusehen, und eine lokale Referenz ist bevorzugt. Ein
derartiger Referenzwert kann vorteilhaft erhalten werden, ohne die
Ausrichtung M2 der Datenschicht 512 zu stören, einfach
durch ein Anlegen des Erfassungsstroms in eine zweite bekannte Richtung,
wie es in einem Block 810 angegeben ist.
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Wie
es in Blöcken 812 und 814 angegeben ist,
wird der Widerstandswert aus der zweiten bekannten Richtung (der
zweite Widerstandswert, R2) gemessen und als ein Referenzwiderstandswert
aufgezeichnet. Wie es in 5A gezeigt
ist, fließt
der Erfassungsstrom IS + IR in
die Seite, angegeben durch das „+"-Symbol, derart, dass das Magnetfeld (durch
gekrümmte
Pfeile 550 dargestellt) einen Vektor in die Richtung im
Uhrzeigersinn gemäß der Rechte-Hand-Regel
aufweist. Die Ausrichtung M1 der Weichreferenzschicht 516 wird
deshalb während des
Betriebs zu der Linken hin festgelegt. Das Magnetfeld 550 ist
vom Entwurf her ziemlich klein und nicht ausreichend, um die Ausrichtung
M2 der Datenschicht 512 zu beeinflussen.
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Wenn
kein Referenzwiderstandswert bekannt ist, kann der anfängliche
Widerstandswert verglichen werden. Wie es bei einem Entscheidungsblock 816 dargestellt
ist, wird, falls der anfängliche Widerstandswert
von dem Referenzwiderstandswert unterschiedlich ist (R1 > R2), ein erster logischer
Pegel, der diesem ersten Zustand zugeordnet ist, zurückgegeben,
Block 818. Falls der anfängliche Widerstandwert nicht
unterschiedlich ist (R1 = R2), dann wird ein zweiter logischer Pegel,
der diesem zweiten Zustand zugeordnet ist, zurückgegeben, Block 820.
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Unter
geeigneten Umständen,
wie beispielsweise wenn die MTJ-Zelle 702 in Reihe geschaltet ist,
wie es in 7A und 7B gezeigt
ist, oder wenn es bei Koppelpunkt-Arrays für geeignet erachtet wird, kann
ein etwas unterschiedlicher Ansatz bei einem Erfassen des Datenwerts
der Zelle genommen werden. Kurz gesagt wird die Weichreferenzschicht während des
Betriebs in zwei bekannte Richtungen festgelegt, wobei der Widerstandswert
für jede
gemessen wird. Die gemessenen Widerstandswerte werden dann verglichen,
um die Ausrichtung von M2 in der Datenschicht zu bestimmen.
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Zum
Beispiel und mit Bezug auf 7A und 7B wird
ein anfänglicher
Strom IS in eine erste bekannte Richtung
an den Schreibzeilenleiter 722 angelegt. Wie es in 7A gezeigt
ist, fließt
der Erfassungsstrom IS in die Seite, angegeben
durch das „+"-Symbol, derart,
dass das Magnetfeld (durch gekrümmte
Pfeile 750 dargestellt) einen Vektor in die Richtung im
Uhrzeigersinn gemäß der Rechte-Hand-Regel
aufweist. Die Ausrichtung von M1 der Weichreferenzschicht 716 wird
deshalb während
des Betriebs zu der Linken hin festgelegt. Das Magnetfeld 750 ist
vom Entwurf her ziemlich klein und nicht ausreichend, um die Ausrichtung
M2 der Datenschicht 712 zu beeinflussen.
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Da
der Schreibzeilenleiter 722 absichtlich elektrisch von
der MTJ-Zelle 702 getrennt ist, wird ein getrennter anfänglicher
Strom IR an den zweiten Erfassungsleiter 720 ange legt.
Der Widerstandswert von dem ersten bekannten Erfassungsstrom (der erste
Widerstandswert, R1) wird dann gemessen und als ein Referenzwiderstandswert
aufgezeichnet.
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Wie
es in 7B gezeigt ist, wird dann ein Strom
IS an den Schreibzeilenleiter 722 in
eine zweite bekannte Richtung angelegt. Wie es in 7B gezeigt
ist, fließt
der Erfassungsstrom IS aus der Seite, angegeben
durch das „•"-Symbol, derart, dass das Magnetfeld
(durch gekrümmte
Pfeile 752 dargestellt) einen Vektor in die Richtung gegen
den Uhrzeigersinn gemäß der Rechte-Hand-Regel
aufweist. Die Ausrichtung M1 der Weichreferenzschicht 716 wird deshalb
während
des Betriebs zu der Rechten hin festgelegt. Wie zuvor ist das Magnetfeld 752 vom Entwurf
her ziemlich klein und nicht ausreichend, um die Ausrichtung M2
der Datenschicht 712 zu beeinflussen.
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Der
Widerstandswert des zweiten bekannten Erfassungsstroms (der zweite
Widerstandswert, R2) wird gemessen und aufgezeichnet. Wenn R2 nun
bekannt ist, können
die Werte von R1 und R2 verglichen werden, Entscheidung 816.
Falls der anfängliche
Widerstandswert größer als
der zweite Widerstandswert ist (R1 > R2), wird ein erster logischer Pegel,
der diesem ersten Zustand zugeordnet ist, zurückgegeben, Block 818.
Falls der anfängliche
Widerstandswert geringer als der zweite Widerstandswert ist (R1 < R2), dann wird
ein zweiter logischer Pegel, der diesem zweiten Zustand zugeordnet
ist, zurückgegeben,
Block 820. Bei jedem Verfahren ist ersichtlich, dass, wenn
R1 größer als
R2 ist, ein erster logischer Pegel, der diesem ersten Zustand zugeordnet
ist, zurückgegeben
wird, wobei somit unter geeigneten Umständen das Verfahren vereinfacht
werden kann, um auf diese Bedingung hin zu prüfen.
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Es
ist ersichtlich, dass dieser Prozess bei einem Koppelpunkt-Array,
wie es beispielsweise in 5A–5B und 6A–6B dargestellt
ist, angewendet werden kann. Wie es oben beschrieben ist, wird bei
zumindest einem Ausführungsbei spiel der
anfängliche
Strom IS + IR mit
einem Betrag angelegt, der nicht ausreichend ist, um die Magnetfelder 550 oder 650 bereitzustellen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
wird der anfängliche
Strom in eine erste bekannte Richtung und mit einem ausreichenden
Betrag angelegt, um ein Magnetfeld 550, 560 zu
erzeugen und die Ausrichtung M1 der Weichreferenzschicht 516, 616 während des
Betriebs festzulegen. Wie es in 5A und 6A gezeigt
ist, fließt
der Strom IS + IR in
die Seite, durch das „+"-Symbol angegeben.
Der anfängliche
Widerstandswert wird als R1 gemessen. Ein zweiter bekannter Erfassungsstrom
wird dann in eine zweite bekannte Richtung angelegt und der zweite
Widerstandswert, R2, wird gemessen und aufgezeichnet. Wie es in 5B und 6B gezeigt
ist, fließt
der Strom IS + IR aus
der Seite, durch das „•"-Symbol angegeben.
Der Vergleich von R1 mit R2 ist wieder ein Größer-Als-, Kleiner-Als-Vergleich.
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Es
ist klar und ersichtlich, dass eine Übereinkunft übernommen
wird, wie beispielsweise dass ein logischer Zustand von „1" existiert, wenn
M1 und M2 antiparallel (hoher Widerstandswert) in einem ersten Zustand
sind, und ein logischer Zustand von „0" existiert, wenn M1 und M2 parallel
(niedriger Widerstandswert) in einem zweiten Zustand sind. Es ist wichtig,
anzumerken, dass das Erfassen des anfänglichen Widerstandswerts (des
ersten Widerstandswerts) wiederholt durchgeführt werden kann und gemittelt
werden kann. Ebenfalls kann das Erfassen des zweiten Widerstandswerts
wiederholt durchgeführt
werden, wie es gut bekannt und ersichtlich ist, dass es bei einem
größeren Abtasten
eine Reduzierung bei einem beliebigen Fehler gibt.
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Die
perspektivische Teilquerschnittsansicht, die in 6A und 6B bereitgestellt
ist, kommt der obigen Erörterung
von 5A und 5B sehr gleich
und weist eine Zwischenschicht 614, eine Datenschicht 612,
einen elektrisch getrennten Schreibzeilenleiter 622 und
einen elektrisch getrennten Schreibspaltenleiter 624 auf.
Der Unterscheidungspunkt ist in der Weichreferenzschicht 616 der
MTJ 602 zu finden. Hier ist die MTJ 602 durch
den umhüllten
ersten Erfassungsleiter 618 gekennzeichnet. Wie es gezeigt
ist, enthält
die ferromagnetische Umhüllung 626 die
Magnetfelder 650 und 652 wirksam im Wesentlichen
innerhalb der Weichreferenzschicht 616.
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Die
perspektivische Teilquerschnittsansicht, die in 7A und 7B bereitgestellt
ist, ist ebenfalls 5A und 5B ähnlich und
weist eine Zwischenschicht 714, eine Datenschicht 712,
einen elektrisch getrennten Schreibzeilenleiter 722 und
einen elektrisch getrennten Schreibspaltenleiter 724 auf. Dieses
alternative Ausführungsbeispiel
zeigt die MTJ-Zelle 702, wie dieselbe erscheinen würde, wenn dieselbe
in Reihe geschaltet wäre.
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Genauer
gesagt sind der erste und der zweite Erfassungsleiter 718 und 720 im
Wesentlichen dünner
als der erste und der zweite Erfassungsleiter 518 und 520.
Als solches sind die Erfassungsmagnetfelder (durch Pfeile 750 und 752 dargestellt)
dadurch bereitgestellt, dass ein Schreibstrom durch den Schreibzeilenleiter 722 geleitet
wird. Die Richtung des Magnetfelds 750 oder 752 und
eine nachfolgende Ausrichtung M1 der Weichreferenzschicht 716 ist im
Wesentlichen von der Richtung des Lesestroms abhängig, der in dem Schreibzeilenleiter 722 fließt. Die
Messung des Widerstandswerts wird durch ein Anlegen des Erfassungsstroms
an die MTJ-Zelle 702 durch den ersten und den zweiten Erfassungsleiter 718 und 720 durchgeführt.
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Da
mehrere MTJ-Zellen in Reihe geschaltet sein können, ist es klar und ersichtlich,
dass der Widerstandswert, der gemessen wird, ein kollektiver Widerstandswert
für alle
MTJ-Zellen in der Reihe ist. Weil jedoch lediglich eine gegebene
MTJ-Zelle 702 durch die Erfassungsmagnetfelder 750 und/oder 752 beeinflusst
wird, beeinflusst die Veränderung
bei einem Widerstandswert der gegebenen Zelle 702 den gemessenen
Widerstandswert für
die Reihe als ein Ganzes.
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Da
die Ausrichtung M1 der Weichreferenzschicht (516, 616 und 716)
bei dem Erfassungsprozess geändert
wird und nicht die Ausrichtung M2 der Datenschicht (512, 612 und 712),
ist es im Wesentlichen unwahrscheinlich, dass eine Störung bei
dem Lese-/Schreibprozess in einer Datenverfälschung resultiert, da die
Datenschicht keiner Schreib- oder Wiederbeschreiboperation unterzogen
wird, wie es im Stand der Technik üblich ist. Diese nicht-störende Erfassungsfähigkeit
ist sehr vorteilhaft.
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Bei
jedem dieser Ausführungsbeispiele
wird eine Schreiboperation auf die Datenschicht (512, 612 oder 712)
durch ein Kombinieren von extern bereitgestellten Magnetfeldern
erreicht, die durch den Schreibzeilen- und den -spaltenleiter erzeugt
werden. Es ist das kombinierte Magnetfeld, das bei dem entsprechenden
Koppelpunkt der ausgewählten
Zelle erreicht wird, das ausreichend ist, um die Koerzitivität der Datenschicht
zu überwinden.
Da das unkombinierte Feld von entweder der Schreibzeile oder der Schreibspalte
nicht ausreichend ist, um die Ausrichtung M2 der Datenschicht zu ändern, ist
die Wahrscheinlichkeit eines Halbauswahlfehlers minimiert.
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Ein
anderes Ausführungsbeispiel
kann als ein Computersystem ersichtlich sein, das den Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeicher 200 umfasst.
Ein Computer mit einer Hauptplatine, einer CPU und zumindest einem
Speicherspeicher, der aus einem Ausführungsbeispiel des Weichreferenz-Vierleiter-Magnetspeichers 200,
der oben beschrieben ist, gebildet ist, erhöht die Vorteile der verbesserten MTJs 302 auf
eine Systemebene.
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Während die
Erfindung mit Bezug auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben
wurde, ist Fachleuten auf dem Gebiet klar, dass verschiedene Änderungen,
Veränderungen
und Verbesserungen vorgenommen werden können und Äquivalente die Elemente und
Schritte derselben ersetzen können,
ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zusätzlich
können
viele Modifikationen vorgenommen werden, um sich an eine spezielle
Situation oder ein spezielles Material anzupassen, gemäß den Lehren
der Erfindung, ohne von dem wesentlichen Schutzbereich derselben
abzuweichen. Derartige Änderungen,
Veränderungen, Modifikationen
und Verbesserungen, obwohl dieselben oben nicht ausdrücklich beschrieben
sind, sollen dennoch innerhalb des Schutzbereichs und der Wesensart
der Erfindung liegen. Deshalb ist es beabsichtigt, dass die Erfindung
nicht auf die speziellen Ausführungsbeispiele,
die als der beste Modus, der zum Ausführen dieser Erfindung betrachtet
wird, offenbart sind, begrenzt ist, sondern dass die Erfindung alle
Ausführungsbeispiele
umfasst, die in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen.