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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetspeichervorrichtungen und insbesondere auf wärmeunterstützte Magnetdirektzugriffspeicherarrays (allgemein als „MRAM” = magnetic random access memory bezeichnet) mit ultrahoher Dichte.
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Aus der Druckschrift
WO 03/092014 A1 ist eine Speichervorrichtung bekannt, die eine Speicherzelle mit einem veränderbaren magnetischen Bereich aufweist. Der veränderbare magnetische Bereich enthält ein Material mit einem Magnetisierungszustand, der auf eine Temperaturänderung anspricht. Die Speichervorrichtung enthält außerdem ein Heizelement. Das Heizelement ist in der Nähe der Speicherzelle zum selektiven Ändern der Temperatur des veränderbaren magnetischen Bereichs der Speicherzelle angeordnet.
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Die Druckschrift
EP 1 403 874 A1 beschreibt ein Speicherbauelement mit einer Kreuzpunktanordnung von Speicherzellen mit einem Temperatursensor und einer Referenzspeicherzelle, wobei der Temperatursensor die Temperatur des Speicherbauelementes erfasst und die Daten von dem Temperatursensor und der Referenzspeicherzelle benutzt werden, um die Schreibströme zum Programmieren des Speicherzellenfeldes zu aktualisieren.
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Die Druckschrift
US 5 309 090 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufheizen eines integrierten Schaltkreises, wie es beispielsweise bei sogenannten „burn-in”-Tests angewendet wird, um durch den Betrieb bei erhöhter Temperatur über einen längeren Zeitraum von 1 bis mehreren Wochen eine Alterung des Chips künstlich zu beschleunigen und somit Chipfehler in endlicher Zeit feststellen zu können.
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Aus der Druckschrift
US 6 317 376 B1 ist eine magnetische Speichervorrichtung bekannt, welche Referenzsignale erzeugt, die genutzt werden können, um trotz Widerstandsschwankungen aufgrund von Herstellungstoleranzen und anderer Faktoren wie Temperaturgradienten über das Array hinweg, elektromagnetische Indifferenz und Alterung, den Widerstandszustand jeder Speicherzelle im Array zu erfassen.
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Die Druckschrift
EP 1 316 962 A2 offenbart ein Speicherbauelement mit Stromquellen, die verschiedene Schreibströme entsprechend von Temperaturänderungen im Speicherarray erzeugen können. Die Stromquellen können hierbei einen Temperatursensor umfassen, um sofort den Schreibstrom an die gemessene Temperatur anzupassen.
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Heutige Computersysteme werden immer hochentwickelter und ermöglichen Benutzern, eine immer größere Vielfalt von Rechenaufgaben mit immer schnelleren Raten durchzuführen. 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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Ein Speicher für ein Computersystem ist technisch irgendeine Form einer elektronischen, magnetischen oder optischen Speicherung; derselbe ist jedoch allgemein in unterschiedliche Kategorien geteilt, teilweise basierend auf einer Geschwindigkeit und einer Funktionalität. Die zwei allgemeinen Kategorien eines Computerspeichers sind Hauptspeicher und Massenspeicherung. Ein Hauptspeicher ist im Allgemeinen aus einem schnellen, teuren, flüchtigen Direktzugriffspeicher gebildet, der direkt durch einen Speicherbus mit dem Prozessor verbunden ist. Ein Beitrag zu der Geschwindigkeit bei einem Hauptspeicher ist im Allgemeinen die Fähigkeit, auf eine spezielle Speicherzelle ohne eine physische Bewegung von Komponenten zuzugreifen.
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Allgemein ist das Prinzip, das der Speicherung von Daten in magnetischen Medien (Haupt- oder Massenspeicherung) zu Grunde 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.
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Eine Magnetspeicherzelle des Stands der Technik kann eine Tunnel-Magnetowiderstand-Speicherzelle (TMR-Speicherzelle; TMR = tunneling magneto-resistance), eine Riesen-Magnetowiderstand-Speicherzelle (GMR-Speicherzelle; GMR = giant magneto-resistance) oder eine Kolossal-Magnetowiderstand-Speicherzelle (CMR-Speicherzelle; CMR = colossal magneto-resistance) sein. Diese Typen eines Magnetspeichers werden allgemein als Spinventilspeicherzellen (SVM-Zellen; SVM = spin valve memory) bezeichnet. 1A und 1B stellen eine perspektivische Ansicht einer typischen Magnetspeicherzelle des Stands der Technik mit zwei Leitern bereit.
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Wie es in 1A und 1B des Stands der Technik gezeigt ist, umfasst eine Magnetspinventilspeicherzelle 100 im Allgemeinen eine Datenschicht 101 (die auch eine Speicherungsschicht oder Bitschicht genannt wird), 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 der SVM-Zelle 100 geliefert werden.
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Bei einer typischen MRAM-Vorrichtung sind die SVM-Zellen in einem Koppelpunktarray bzw. Kreuzungspunktarray angeordnet. Parallele leitfähige Spalten (Spalte 1, 2, 3 ...), die auch als Wortleitungen bezeichnet werden, kreuzen parallele leitfähige Zeilen (Zeile A, B, C ...), die auch als Bitleitungen bezeichnet werden. Die traditionellen Prinzipien von Spalten- und Zeilenarrays geben vor, dass eine jegliche gegebene Zeile lediglich eine jegliche gegebene Spalte einmal kreuzt.
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Eine SVM-Zelle ist bei jedem sich schneidenden Koppelpunkt zwischen einer Zeile und einer Spalte platziert. Durch ein Auswählen einer speziellen Zeile (B) und einer speziellen Spalte (3) kann eine jegliche Speicherzelle, die bei dem Schnittbereich (B, 3) derselben positioniert ist, von einer jeglichen anderen Speicherzelle in dem Array getrennt bzw. isoliert werden. Eine derartige einzelne Indexierung ist nicht ohne Komplexitäten. Ein typisches MRAM-Koppelpunktarray kann ohne weiteres aus zumindest 1000 Zeilen und 1000 Spalten bestehen, die 1000000 SVM-Zellen eindeutig adressieren.
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Die Datenschicht 101 ist gewöhnlich eine Schicht aus einem magnetischen Material, die ein Datenbit 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”, wie in fest, ist. Die Richtung wird durch mikroelektronische Verarbeitungsschritte, die bei der Fertigung der Magnetspeicherzelle eingesetzt werden, vorbestimmt und eingerichtet.
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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 einer SVM-Zelle 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 allgemein als eine Tunnelbarriereschicht bezeichnet wird. Die Phänomene, die die Wanderung von Elektronen durch die Barriereschicht bewirken, können als ein quantenmechanisches Tunneln oder ein Spintunneln bezeichnet werden.
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Der logische Zustand kann durch ein Messen des Widerstandswerts der Speicherzelle bestimmt werden. Falls z. B. die Gesamtausrichtung der Magnetisierung in der Datenschicht 101 parallel zu der festgelegten Magnetisierungsausrichtung in der Referenzschicht 103 ist, befindet sich die Magnetspeicherzelle in einem Zustand eines niedrigen Widerstandswerts R.
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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 R + ΔR. Die Ausrichtung von M2 und deshalb der logische Zustand der SVM-Zelle 100 können durch ein Erfassen des Widerstandswerts der SVM-Zelle 100 gelesen werden.
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Mit Bezug auf eine Koerzitivität ist allgemein gesagt, je kleiner das magnetische Partikel ist, die Koerzitivität desselben umso höher. Eine große Koerzitivität ist allgemein unerwünscht, da dieselbe ein größeres Magnetfeld erfordert, um ein Schalten zu ermöglichen, was wiederum eine größere Leistungsquelle und möglicherweise größere Leiter erfordert. Ein Vorsehen einer großen Leistungsquelle und von großen Leitern steht allgemein den Versuchen entgegen, die notwendige Größe von Komponenten zu reduzieren und deshalb größere Speicherspeicherungen bzw. Speichereinheiten in immer kleineren Räumen zu ermöglichen.
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Zusätzlich kann die Koerzitivität eines magnetischen Partikels auch durch eine Temperatur beeinflusst sein. Wenn sich eine Temperatur erhöht, verringert sich allgemein eine Koerzitivität. Mit Bezug auf MRAM- und SVM-Zellen kann ein Erhöhen der Temperatur einer SVM-Zelle die Koerzitivität in der Tat reduzieren. Bei einem MRAM-Array kann ein Umschalten der magnetischen Ausrichtung einer spezifischen Zelle, ohne die anderen wesentlich zu stören, durch ein Erwärmen der ausgewählten Zelle und somit Verringern der Koerzitivität dieser speziellen SVM-Zelle ermöglicht werden. Eine derartige erwärmte SVM-Zelle kann dann durch ein Feld umgeschaltet werden, das ungenügend ist, um nichtausgewählte benachbarte SVM-Zellen zu beeinflussen.
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Umweltfaktoren können die SVM-Zelle jedoch erheblich beeinflussen. Eine Wärme, die an die SVM-Zelle in einer Umgebung angelegt wird, um die Koerzitivität derselben zu reduzieren, kann in einer anderen unwirksam sein, d. h. wenn die Zelle extrem kalt ist.
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Wenn gleichermaßen die Umgebungstemperatur extrem warm ist, kann eine zusätzliche Wärme (und das Schaltfeld selbst) unbeabsichtigterweise mehr als die spezifisch beabsichtigte SVM-Zelle beeinflussen. Die Variable einer Umgebungstemperatur und die Wirkung auf den Betrieb des MRAM können deshalb einen ordnungsgemäßen Betrieb der SVM-Zellen verschlechtern.
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Bei einem typischen MRAM-Array kann eine erhebliche Größe eines gesamten Raums verwendet werden, um einfach einen physischen Puffer zwischen den Zellen vorzusehen. Ein Eliminieren dieses Pufferraums oder ein Reduzieren des Verhältnisses desselben könnte ein größeres Speicherungsvolumen in dem gleichen physischen Raum liefern.
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Daher besteht ein Bedarf nach einem wärmeunterstützten Speicherarray mit ultrahoher Dichte, das einen oder mehrere der oben angegebenen Nachteile überwindet. Die vorliegende Erfindung genügt diesem Bedarf.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wärmeunterstützte Magnetspeichervorrichtung mit gesteuerter Temperatur, ein Verfahren zum Durchführen einer Schreiboperation an einer ausgewählten SVM-Zelle in einer wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung mit gesteuerter Temperatur oder ein Computersystem mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Magnetspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 14 und ein Computersystem gemäß Anspruch 22 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Diese Erfindung stellt eine wärmeunterstützte Magnetspeichervorrichtung mit gesteuerter Temperatur für eine Verwendung als ein Speicherarray mit ultrahoher Dichte bereit.
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile des bevorzugten Verfahrens und der bevorzugten Vorrichtung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen. Es zeigen:
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1A–1B perspektivische Ansichten einer Magnetspeicherzelle des Stands der Technik;
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2 ein Blockdiagramm der wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung mit gesteuerter Temperatur gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine teilweise perspektivische Ansicht eines Koppelpunktarrays und einer Referenz-SVM-Zelle, wie es in 2 gezeigt ist;
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4 ein konzeptionelles elektrisches Diagramm der wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung mit gesteuerter Temperatur, die in 2 gezeigt ist; und
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5 ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verwendens der wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung mit gesteuerter Temperatur zeigt, die in 2, 3 und 4 gezeigt ist.
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Bevor mit der detaillierten Beschreibung fortgefahren wird, sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine Verwendung oder Anwendung bei einem spezifischen Typ eines Magnetspeichers begrenzt ist. Obwohl die vorliegende Erfindung für die Zweckmäßigkeit einer Erläuterung mit Bezug auf typische exemplarische Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben ist, sei somit darauf hingewiesen, dass diese Erfindung bei anderen Typen eines Magnetspeichers angewendet werden kann.
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Unter jetziger Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf 2 ist ein Abschnitt einer wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung mit gesteuerter Temperatur 200 gezeigt, die ein Array 202 von Spinventilspeicherzellen (SVM-Speicherzellen; SVM = spin valve memory), zumindest eine Referenz-SVM-Zelle (RSVM-Zelle) 204 und eine rückkopplungsgesteuerte Temperatursteuerung 206 umfasst. Die wärmeunterstützte Magnetspeichervorrichtung 200 kann ferner eine Leistungsquelle 208 und eine Abtastschaltung 210 umfassen, wie beispielsweise eine Selbstreferenz-Dreifachabtasterfassungsschaltung (Self-Reference Triple Sample Sense Circuit), die ein digitales Ausgangssignal liefert, das den Zustand einer ausgewählten Widerstandsvorrichtung innerhalb des Arrays 202 darstellt. Ein Schreibstromgenerator 218 kann ebenfalls vorgesehen sein.
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Mit der RSVM-Zelle 204 ist ein Temperatursensor 212 gekoppelt. Der Temperatursensor 212 ist thermisch mit der RSVM-Zelle 204 gekoppelt und ist bei zumindest einem Ausführungsbeispiel physisch mit der RSVM-Zelle 204 gekoppelt. Die rückkopplungsgesteuerte Temperatursteuerung 206 empfängt eine Rückkopplung in der Form einer Spannungsrückkopplung von dem Temperatursensor 212. Die Rückkopplung wird erzeugt, wenn eine Leistung durch einen Leistungsweg 214 an die RSVM-Zelle 204 und eine ausgewählte SVM-Zelle innerhalb des Arrays 202 angelegt ist, um die RSVM-Zelle 204 und die ausgewählte SVM-Zelle des Arrays zu erwärmen.
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Die Leistungswege 214, die die Wärmeleistung zu der RSVM-Zelle 204 und zu dem Array 202 liefern, sind im Wesentlichen die gleichen. Konzeptionell ist dies als ein einziger Leistungsweg 214 gezeigt, der in Wege 214' und 214'' verzweigt ist. Als solches resultiert ein Variieren der Leistung, die zu dem Leistungsweg 214 geliefert wird, direkt in einer im Wesentlichen gleichen und symmetrischen Variation bei der Leistung, die durch die Wege 214' und 214'' geliefert wird.
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Außerdem resultiert ein Einstellen der Leistung, die zu der RSVM-Zelle 204 geliefert wird, in einer im Wesentlichen symmetrischen Einstellung einer Leistung, die zu dem Array 202 geliefert wird. Mit anderen Worten wird im Wesentlichen gleichzeitig zu der Anlegung und Einstellung einer Leistung zu der RSVM-Zelle 204 eine Leistung zu einer ausgewählten SVM-Zelle des Arrays angelegt und eingestellt. Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel ist die Leistung, die zu der ausgewählten SVM-Zelle geliefert wird, im Wesentlichen identisch mit der Leistung, die zu der RSVM-Zelle 204 geliefert wird. Für eine konzeptionelle Einfachheit wurde die RSVM-Zelle 204 als von dem Array 202 getrennt dargestellt, doch bei zumindest einem Ausführungsbeispiel kann die RSVM-Zelle 204 innerhalb des Arrays 202 positioniert sein.
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3 stellt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Arrays 202 und der RSVM-Zelle 204 dar. Wie es gezeigt ist, ist bei zumindest einem Ausführungsbeispiel das Array 202 ein Widerstandskoppelpunktspeicherarray (Widerstands-CPA; CPA = cross-point memory array) 300, das aus Spinventilspeicherzellen (SVM-Speicherzellen; SVM = spin valve memory) 302, 302', 302'', etc. gebildet ist. Jede SVM-Zelle 302 des Koppelpunktarrays 300 umfasst zumindest eine ferromagnetische Datenschicht 304 (die allgemein auch als eine Erfassungsschicht bezeichnet wird), eine Zwischenschicht 306 und eine ferromagnetische Referenzschicht 308.
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Die ferromagnetische Datenschicht 304 ermöglicht das Speichern eines Datenbits als eine änderbare Magnetisierungsausrichtung M1 und besteht aus einem Material, bei dem die Koerzitivität auf eine Erhöhung bei einer Temperatur hin verringert ist. Die Zwischenschicht 306 weist gegenüberliegende Seiten auf, derart, dass die Datenschicht 304 in Kontakt mit einer Seite sich im Wesentlichen in einer direkten Ausrichtung mit und im Wesentlichen einheitlich beabstandet von der Referenzschicht 308 befindet.
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Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel ist die Referenzschicht 308 eine festgelegte Referenzschicht, die durch eine festgelegte Magnetisierungsausrichtung M2 gekennzeichnet ist. Bei zumindest einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Referenzschicht eine Weichreferenzschicht, die durch eine nicht-festgelegte Magnetisierungsausrichtung M2 gekennzeichnet ist. Eine Weichreferenzschicht kann ferner eine niedrigere Koerzitivität als die Datenschicht 304 aufweisen.
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Die thermischen Eigenschaften der RSVM-Zelle 204 beziehen sich auf die thermischen Eigenschaften der SVM-Zellen des Arrays 202, derart, dass durch ein Beobachten des thermischen Verhaltens der RSVM-Zelle 204 das thermische Verhalten der SVM-Zellen des Arrays 202 festgestellt werden kann. Unter geeigneten Umständen kann die RSVM-Zelle 204 größer oder kleiner als die Zellen des SVM-Arrays 202 sein. Wenn die RSVM-Zelle 204 größer oder kleiner als die SVM-Zellen des Arrays 202 ist und/oder nicht im Wesentlichen in der Nähe von dem Array 202 ist, ist es klar und ersichtlich, dass die Leistung, die an die RSVM-Zelle 204 angelegt ist, einer eingestellten Leistung entspricht, die an eine ausgewählte Zelle innerhalb des Arrays 202 angelegt ist.
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Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel ist die RSVM-Zelle 204 den SVM-Zellen 302, 302', 302'', etc. des Koppelpunktarrays 300 im Wesentlichen ähnlich. Genauer gesagt ist bei zumindest einem Ausführungsbeispiel die RSVM-Zelle 204 von im Wesentlichen der gleichen Form, Größe und Zusammensetzung wie die SVM-Zelle 302, weist zumindest eine ferromagnetische Datenschicht 310, eine Zwischenschicht 312 und eine ferromagnetische Referenzschicht 314 auf, die wie mit Bezug auf die SVM-Zelle 302 beschrieben angeordnet sind. Außerdem ist bei zumindest einem Ausführungsbeispiel die RSVM-Zelle 204 im Wesentlichen identisch mit den SVM-Zellen 302, 302', 302'', etc. des Koppelpunktarrays 300. Die Verwendung einer im Wesentlichen identischen Zelle vereinfacht vorteilhaft den Herstellungs- und Steuerprozess.
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Die ferromagnetischen Datenschichten (304, 310) und die Referenzschichten (308, 314) 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. Genauer gesagt sind bei zumindest einem Ausführungsbeispiel die Datenschichten (304, 310) und die Referenzschichten (308, 314) Nickeleisen (NiFe). Zusätzlich können sowohl die Datenschichten (304, 310) als auch die Referenzschichten (308, 314) aus mehreren Materialschichten gebildet sein. Für eine konzeptionelle Einfachheit und eine leichte Erörterung jedoch ist hierin jede Schichtkomponente als eine einzige Schicht erörtert.
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Wie es gezeigt ist, kreuzt eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Spalten 316, 316' und 316'' eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Zeilen 318, 318' und 318'', wodurch eine Mehrzahl von Schnittbereichen gebildet wird. Jede SVM-Zelle 302, 302', 302'', etc. des Koppelpunktarrays 300 befindet sich in einem elektrischen Kontakt mit und ist bei einer Schnittregion zwischen einer Zeile und einer Spalte positioniert. Als solches können ein elektrischer Strom und Magnetfelder zu einer ausgewählten SVM-Zelle 302 innerhalb des Koppelpunktarrays 300 durch die elektrisch leitfähige Spalte 316 und die elektrisch leitfähige Zeile 318 geliefert werden.
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Gleichermaßen weist die RSVM-Zelle 204 einen oberen elektrischen Leiter 320 und einen unteren elektrischen Leiter 322 auf. Zusätzlich ist die RSVM-Zelle 204 thermisch mit einem Temperatursensor 324 gekoppelt, wie beispielsweise einer PN-Übergang-Diode.
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Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel erwärmen sich die SVM-Zellen des Koppelpunktarrays 300 und die RSVM-Zelle 204 selbst. Genauer gesagt treffen eine Leistung, die durch eine gegebene SVM-Zelle 302 fließt und durch die Spalte 316 und die Zeile 318 geliefert wird, und eine Leistung, die durch die RSVM-Zelle 204 fließt und durch den oberen elektrischen Leiter 320 und den unteren elektrischen Leiter 322 geliefert wird, auf einen Widerstand bei der Tunnelhandlung des Stroms durch die Zelle und resultieren in einem erheblichen und örtlich begrenzten Temperaturanstieg innerhalb der SVM-Zelle 302 und der RSVM-Zelle 204. Die angelegte Leistung kann ein Wärmepuls von etwa 1 bis 3 Volt sein.
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Bei zumindest einem alternativen Ausführungsbeispiel werden die SVM-Zellen 302, 302', 302'', etc. des Koppelpunktarrays 300 und die RSVM-Zelle 204 durch ein gekoppeltes Erwärmen erwärmt. Genauer gesagt fließt eine Wärmeleistung durch eine getrennte Heizvorrichtung, wie beispielsweise eine bewegbare Nanospitzensonde 350, die thermisch mit der ausgewählten SVM-Zelle 302 des Koppelpunktarrays koppelt. Eine im Wesentlichen identische getrennte Heizvorrichtung, wie beispielsweise eine Nanospitzensonde 350' ist ebenfalls vorgesehen, um mit der RSVM-Zelle 204 thermisch zu koppeln. Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel weist die Nanospitzensonde 350 einen Gelenkträger 352, eine distale Spitze 354 und einen Wärmeleiter 356 auf.
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Die Nanospitzensonde 350', die mit der RSVM-Zelle 204 thermisch koppelt, ist im Wesentlichen ähnlich und weist einen Gelenkträger 352', eine distale Spitze 354' und einen Wärmeleiter 356' auf. Unter geeigneten Umständen, wie beispielsweise wenn die SVM-Zellen des Arrays 202 einen gemeinsamen unteren Leiter gemeinschaftlich verwenden, kann die Nanospitzensonde 350 ferner einen geeigneten oberen elektrischen Leiter bereitstellen.
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Die Nanospitzensonde 350 ist bewegbar und kann als solches von einer Position in der Nähe von einer SVM-Zelle 302 zu einer Position in der Nähe von einer anderen SVM-Zelle bewegt werden, wie beispielsweise einer SVM-Zelle 302'. Genau gesagt kann die Sonde entlang der X- und Y-Koordinatenachse über einer gegebenen SVM-Zelle 302 positioniert werden. Die Sonde kann dann entlang der Z-Koordinatenachse positioniert werden, um die Leistungsübertragung (Wärme und/oder elektrischer Strom) zwischen der Nanospitzensonde 350 und der ausgewählten SVM-Zelle 302 zu ermöglichen.
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4 liefert ein konzeptionelles elektrisches Schema der wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung 200, die durch ein Array 202, eine RSVM-Zelle 204 und eine rückkopplungsgesteuerte Temperatursteuerung 206 gekennzeichnet ist. Um bei einer Erörterung zu helfen, wurden spezifische Elemente dieses Schemas durch gepunktete Kästen unterschieden, genau gesagt der RSVM-Zellenheizer 400, die Wärmeschaltung 402 der RSVM-Zelle 204, der Temperatursensor 404, die Temperatursteuerung 406 und die Leistungsquelle 408. Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel ist die Leistungsquelle 408 ein Stromspiegel.
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Bei diesem konzeptionellen elektrischen Schema ist die RSVM-Zelle 204 als ein Widerstandselement 410 gezeigt. Wenn eine Leistung durch eine leitfähige Leitung 412 zu dem Widerstandselement 410 (der RSVM-Zelle 204) geliefert wird, resultiert ein interner Widerstand in einer Erzeugung von Wärmeenergie, die als PH dargestellt ist, dargestellt durch einen gekrümmten Pfeil 414. Die Wärmeschaltung 402 ist mit dem RSVM-Zellenheizer 400 gekoppelt. Genauer gesagt resultiert die Wärme, die in dem Widerstandselement 410 dissipiert wird, in einer Leistungsquelle für die Wärmeschaltung, da die Struktur der Schaltung den Wärmewiderstand und Temperaturanstieg als eine Sache von Wärmewiderständen bestimmt.
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Die Wärme PH dient als eine Leistungsquelle 416 bei der Wärmeschaltung 402. Der Wärmewiderstand (RT) der RSVM-Zelle 204 für eine Temperaturerfassungsdiode in dem Siliziumsubstrat ist durch einen Widerstand 418 dargestellt. Der Wärmewiderstand der Temperaturerfassungsdiode für die Umgebungstemperatur ist durch einen Widerstand 420 dargestellt.
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Der Strom, der durch die Widerstände 418 und 420 fließt, koppelt die Temperatur durch eine Verbindung 424 mit der PN-Übergang-Diode 422. Das Verhalten der PN-Übergang-Diode 422 spricht, wie es gut bekannt ist, auf eine Temperatur in der Größenordnung von 2 bis 4 Mikrovolt pro Grad Celsius an. Die Übergangsspannung, die durch den Diodenstrom (ID) entwickelt wird, der durch die PN-Übergang-Diode 422 fließt, wird als eine Rückkopplung (VT) zu dem negativen Eingang eines Differenzverstärkers mit negativer Rückkopplung 426 geliefert.
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Die Funktion des Differenzverstärkers mit negativer Rückkopplung 426 ist es, die Differenzen zwischen zwei Eingangsspannungen zu reduzieren. Eine Referenzspannung, Vref, ist an den „+”-Anschluss angelegt und die Rückkopplungsspannung VT ist an den „–”-Anschluss angelegt. Die Referenzspannung, Vref, stellt eine spezifische Temperatur dar. Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel stellt Vref die Temperatur für eine reduzierte Koerzitivität der RSVM-Zelle (d. h. der RSVM-Zelle 204) dar. Unter geeigneten Umständen kann Vref Betriebstemperaturen darstellen, die für eine spezifische Anwendung der wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung 200 erwünscht sind.
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Der Differenzverstärker mit negativer Rückkopplung 426 reduziert die Differenz zwischen den zwei Eingangsspannungen, Vref und VT, durch ein Anweisen einer Einstellung an der Leistungsquelle 408. Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel ist die Leistungsquelle 408 eine variierende Stromquelle 428, die im Wesentlichen die gleiche Leistung zu dem Widerstandselement 410 und einer ausgewählten SVM-Zelle 302, die als ein Widerstandselement 430 dargestellt ist, innerhalb des Arrays 202 liefert, das als ein Koppelpunktarray 300 dargestellt ist. Eine Erhöhung oder Verringerung bei dem Strom (der Leistung), der durch den Leiter 412, als eine gepunktete Linie 432 dargestellt, zu der RSVM-Zelle geliefert wird, ist im Wesentlichen die gleiche wie bei dem Strom (der Leistung), der (die) zu dem Widerstandselement 430 (der ausgewählten SVM-Zelle 302) des Koppelpunktarrays 300 geliefert wird. Durch ein Zeilenauswahlelement 434 und ein Spaltenauswahlelement 436 ausgewählt, ist der Weg des Stroms, der zu dem Widerstandselement 430 geliefert wird, durch eine gepunktete Linie 438 dargestellt.
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Der Betrieb der wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung 200, die konzeptionell in 4 dargestellt ist, kann wie folgt zusammengefasst werden: eine im Wesentlichen gleiche Wärmeleistung wird an das Widerstandselement 410 und das Widerstandselement 430 angelegt. Die Wärmeleistung, die in dem Widerstandselement 410 dissipiert wird, wird zu einer Wärmeschaltung 402 gekoppelt. Der Temperaturanstieg bei dem Widerstandselement 410 über die Umgebungstemperatur wird durch die Wärmeschaltung 402 erkannt und dargestellt.
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Die Wärmeschaltung 402 ist mit einer elektrischen Schaltung bei der PN-Übergang-Diode 422 gekoppelt. Ein Erfassungsstrom wird durch die PN-Übergang-Diode geleitet. Die Spannung, die durch die PN-Übergang-Diode entwickelt wird, VT, wird mit einer Referenzspannung, Vref, durch den Differenzverstärker mit negativer Rückkopplung 426 verglichen. Basierend auf einer negativen Rückkopplung wird die Wärmeleistung eingestellt, um die Rückkopplungsspannung VT zu regeln, um im Wesentlichen gleich der Referenzspannung, Vref, zu sein. Durch ein Regeln der Leistung, um die Spannungen abzugleichen, wird die Temperatur des Widerstandselements 410 im Wesentlichen identisch mit der Temperatur des ausgewählten Widerstandselements 430 sein.
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Es ist klar, dass die Umgebungstemperatur der RSVM-Zelle 204 im Wesentlichen etwa die gleiche wie die Umgebungstemperatur der SVM-Zellen in dem Array 202 ist. Außerdem ist das Heizverhalten, das bei dem RSVM-Zellenheizer 400 dargestellt ist, für ein Widerstandselement 430 (eine ausgewählte SVM-Zelle 302) innerhalb des Arrays 202 im Wesentlichen das gleiche. Obwohl der RSVM-Zellenheizer 400 als eine Funktion der angelegten Leistung, die ein variierender Strom ist, dargestellt ist, ist es klar und offensichtlich, dass die Leistung eine angelegte Spannung, eine Hochfrequenzleistung (HF-Leistung), eine Laser- oder eine andere Form einer Leistung sein kann, die ausreichend ist, um eine örtlich begrenzte Wärmequelle bereitzustellen.
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Die wärmeunterstützte Magnetspeichervorrichtung 200 mit einer rückkopplungsgesteuerten Temperatursteuerung 206 ermöglicht vorteilhaft zuverlässige wärmeunterstützte Schreiboperationen abhängig von erhöhten Temperaturen der ausgewählten SVM-Zellen. Derartige wärmeunterstützte Operationen sind zu einem sehr schmalen und genauen Temperaturbereich gesteuert. Außerdem sind Schwankungen bei einer Umgebungstemperatur (d. h. der Substrattemperatur), die die endgültige Temperatur der SVM-Zellen des Arrays beeinflussen, wirksam eliminiert. Diese Eliminierung wird vorteilhaft erzielt, ohne zu erfordern, dass jede SVM-Zelle des Arrays 202 mit einem einzelnen Temperatursensor versehen wird.
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Nachdem das obige physische Ausführungsbeispiel der wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung 200 mit der RSVM-Zelle 204 und der rückkopplungsgesteuerten Temperatursteuerung 206 beschrieben wurde, wird nun ein anderes Ausführungsbeispiel bezüglich des Verwendungsverfahrens unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 5 und die in 2, 3 und 4 dargestellten Komponenten beschrieben. Es ist ersichtlich, dass das beschriebene Verfahren nicht in der Reihenfolge durchgeführt werden muss, in der dasselbe hierin beschrieben ist, sondern dass diese Beschreibung lediglich exemplarisch für zumindest ein Verfahren zum Verwenden der wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung mit gesteuerter Temperatur 200 gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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Unter Bezugnahme auf die in 3 und 4 dargestellten Komponenten und wie es in dem Flussdiagramm von 5 dargestellt ist, wird die Auswahl einer spezifischen SVM-Zelle vorgenommen, Block 500. Eine derartige Auswahl kann mit der Verwendung eines Zeilenauswahlelements 434 und eines Spaltenauswahlelements 436 durchgeführt werden, die eine spezifische Spalte 316 und eine spezifische Zeile 318 auswählen, um eine spezifische SVM-Zelle 302 auszuwählen.
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Eine erste Leistung wird an die RSVM-Zelle 204 angelegt. Die erste Leistung ist eine Wärmeleistung und die Anlegung dient dazu, die RSVM-Zelle 204 zu erwärmen, Block 502. Die zweite Leistung, die im Wesentlichen identisch mit der ersten Leistung ist, wird an das ausgewählte Widerstandselement 430 (die ausgewählte SVM-Zelle 302) angelegt, Block 504.
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Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel resultiert die Anlegung der ersten und der zweiten Leitung in einer Selbsterwärmung innerhalb der RSVM-Zelle 204 und dem ausgewählten Widerstandselement 430. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Erwärmen durch ein gekoppeltes Erwärmen erreicht, wobei die erste und die zweite Leistung an getrennte Heizvorrichtungen angelegt werden, die mit der RSVM-Zelle 204 und dem ausgewählten Widerstandselement 430 thermisch gekoppelt sind.
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Es ist allgemein ersichtlich auf dem Magnetspeichergebiet, dass, wenn sich die Größe eines Magnetbits verringert, sich die Koerzitivität des Bits erhöht. Zum Beispiel kann ein Bit mit 0,25 × 0,75 Mikrometern eine Koerzitivität von in etwa 40 Oe[1 Oe = 1000/(4·Pi)A/m] aufweisen, während ein Bit von 0,15 × 0,45 Mikrometern eine Koerzitivität von in etwa 75 Oe[1 Oe = 1000/(4·Pi)A/m] aufweisen kann. Im Allgemeinen verringert sich die Koerzitivität eines Materials, wenn eine Temperatur sich erhöht. Ein Temperaturanstieg von beispielsweise 100 Grad Celsius kann einen Koerzitivitätsabfall von in etwa 50% übertragen. Auf eine Temperaturverringerung auf den ursprünglichen Zustand, stellt sich die ursprüngliche Koerzitivität im Allgemeinen wieder ein.
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Als solches reduziert ein Anlegen einer Wärmeleistung an die RSVM-Zelle 204 die Koerzitivität der RSVM-Zelle 204. Da die RSVM-Zelle 204 im Wesentlichen identisch mit den SVM-Zellen des Arrays 202 ist, ist es durch ein Messen und Steuern der Temperatur des Widerstandselements 410 (der RSVM-Zelle 204) möglich, im Wesentlichen die gleiche Steuerung einer Temperatur festzustellen, die an das ausgewählte Widerstandselement 430 (die ausgewählte SVM-Zelle 302) angelegt wird.
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Um diese Temperatursteuerung zu ermöglichen, wird eine Rückkopplungsspannung VT von der Temperatursteuerung 206 erfasst, die mit der RSVM-Zelle 204 gekoppelt ist, Block 506. Die Rückkopplungsspannung VT wird mit der Referenzspannung Vref verglichen, Block 510. Die Referenzspannung, Vref, stellt eine spezifische Temperatur dar und stellt bei zumindest einem Ausführungsbeispiel die reduzierte Koerzitivität der RSVM-Zelle 204 und der ausgewählten SVM-Zelle 302 dar.
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Basierend auf dem Vergleich von VT mit Vref stellt der Differenzverstärker mit negativer Rückkopplung 426 die variable erste Leistung ein, die an die RSVM-Zelle 204 angelegt wird, Block 512. Wenn die Leistung durch eine Leistungsquelle 408 geliefert wird, wird die zweite Leistung, die an das Widerstandselement 430 angelegt wird, gleichermaßen eingestellt, um im Wesentlichen identisch mit der ersten Leistung zu sein, Block 514.
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Wenn die erwünschte Temperatur in der RSVM-Zelle 204 und folglich in der ausgewählten SVM-Zelle 302 erreicht ist, wird ein Schreibmagnetfeld an die ausgewählte SVM-Zelle 302 angelegt, Block 516. Das angelegte Magnetfeld ist größer als die reduzierte Koerzitivität der ausgewählten SVM-Zelle 302. Da die Koerzitivität des Widerstandselements 430 (der ausgewählten SVM-Zelle 302) durch die Anlegung einer Leistung in der Form von Wärme reduziert wurde, kann die Magnetisierungsausrichtung der ausgewählten SVM-Zelle 302 verändert werden. Geeignete Erfassungsoperationen können mit der Schreiboperation kombiniert werden, um zu bestätigen, dass die Schreiboperation erfolgreich war.
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Wie es bei einer Entscheidungsoperation 518 angegeben ist, wiederholen zusätzliche Schreiboperationen das oben beschriebene Verfahren. Dieses Verfahren ermöglicht vorteilhaft, dass genaue wärmeunterstützte Schreiboperationen durchgeführt werden. Als solches können die Ränder eines Pufferraums zwischen SVM-Zellen innerhalb des Arrays 202 reduziert werden.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel ist erkennbarerweise ein Computersystem, das die wärmeunterstützte Magnetspeichervorrichtung 200 umfasst. Ein Computer mit einer Hauptplatine, zumindest einer CPU und der wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung 200, wie dieselbe oben mit Bezug auf 4 beschrieben ist, hebt die Vorteile der verbesserten wärmeunterstützten Magnetspeichervorrichtung 200 auf eine Systemebene.
