DE1963986A1

DE1963986A1 - Magnetschichtspeicherelement

Info

Publication number: DE1963986A1
Application number: DE19691963986
Authority: DE
Inventors: Mazzeo Nicolas Joseph
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-12-24
Filing date: 1969-12-20
Publication date: 1970-07-09
Also published as: FR2026993A1; US3585616A; GB1240255A

Description

mis. IL HOXZEK

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EKLIiPON, Slat J

I, 61

Augsburg, den 18. Dezember 1969

International Business Machines Corporation, Armonk₉ Ν.ϊ. 10 504, Vereinigte Staaten von Amerika

Magnets ohiehtspeieherelement

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Die Erfindung betrifft Magnetschichtspeicherelemente mit anisotropen Eigenschaften, welche binäre Informationen jeweils in Form eines von zwei möglichen Remanenzzuständen speichern.

Insbesondere betrifft die Erfindung Speicherelemente,

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welche jeweils' ein, ein Feld aufbauendes und zwischen einem Leiter und einer Trägerschicht des jeweiligen Speicherelementes angeordnetes Element aufweisen. Dieses Element baut dabei ein starkes Magnetfeld auf, welches auf symmetrisch zu einem rechtwinkelig verlaufenden Leiter angeordnete und die gleiche.Ausdehnung wie dieser Leiter aufweisende Speicherschichten einwirkt« Wegen dieser Anordnung sind zum Aufbau eines erforderlichen ümmagnetisierungsfeldes geringere Wortströme nötig als bei bisherigen Ausführungsformen und außerdem ist bei einer bevorzugten Ausfüfarungsform der Erfindung der Bitleitungswiderstand größer als bei bisherigen Ausführungsformen.

Bei bisherigen Speicheranordnungen sind magnetische Speicherschichten symmetrisch zu einer Wort- bzw. Bitleitung und außerdem unmittelbar oberhalb der Trägerschicht, d.h. ziemlich dicht bei der Trägerschicht angeordnet. Wenn ein rechtwinkelig verlaufender Leiter ein Feld aufbaut, so tritt demgemäß nur ein geringer Teil des erzeugten Flusses in einen zugeordneten sogenannten Magnetanker ein. Dieser Magnetanker hoher Permeabilität legt dann ein um einen Faktor", welcher gleich der Permeabilität des Magnetankers ist, vergrößertes Feld an die Speicherschicht an. Wenn dieses B'eld stark genug

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ist, wird die Schicht ummagnetisiert. Für diese Ummagnetisierung ist ein ziemlich starker Strom erforderlich, da das resultierende Feld durch einen, der Speicherschicht sugeordneten nichtmagnetischen Leiter hindurch muß, was wiederum einen stärkeren Strom erforderlich macht.

Wenn darüberhinaus "geschlossene leichte Achse"-Schichten verwendet werden, ist der Bitleitungswider- ,

stand siemlich gering und man benötigt deshalb Leseverstärker mit niedrigerem Schwellenwert. Den Idealfall stellen demgemäß ein hoher Bitleitungswiderstand und ein verminderter Wortleitungsstrom dar. Diesen hohen Bitleitungswiderstand erreicht man mit "geschlossene schwere Achseⁿ-Schichten, jedoch sind stärkere Bitleitungsströme erforderlich, da beim "geschlossene schwere Aehse"-Betrieb der Bitleitungsstrom die gleichen Bedingungen vorfindet wie der Wortleitungsstrom beim "geschlossene leichte Achsel-Betrieb. Bisher ist deshalb dem Fachmann ( keine Speicheranordnung bekannt, welche einen hohen Bitleitungswiderstand aufweist und gleichzeitig einen verringerten Wortstrom benötigt. ; ..

Mit der Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden,

BAD OFHGfNAL

HiSHO

ein Magnetschichtspeicherelement so auszulegen, daß es in bezug auf bisherige, bekannte Magnetschichtspeicherelemente einen schwäcrieren Wortstrom benötigt und außerdem einen höheren Bitleitungswiderstand aufweist.

Weiterhin soll dieses Magnetschichtspeicherelement ein feldaufbauendes Element aufweisen, welches in der Nähe einer Trägerschicht angeordnet ist und bei minimalem Strom einer Speicherschicht einen maximalen Fluß liefert.

Im Sinne der Lösung dieser-Aufgabe beinhaltet die Erfindung ein Magnetschichtspeicherelement, welches durch eine Trägerschicht, weiter durch zwei rechtwinkelig zueinander verlaufende Leiter, welche oberhalb dieser Trägerschicht angeordnet sind, ferner durch zwei auf entgegengesetzten Seiten eines der beiden Leiter angeordnete Magnetschichten, und schließlich durch ein feldaufbauendes Element gekennzeichnet ist, welch letzteres zwischen dem anderen der beiden Leiter und der Trägerschicht angeordnet ist.

Das Magnetschichtspeicherelement, dessen genannte Magnetschichten anisotrope Eigenschaften aufweisen, gestattet die Koppelung eines Speicherelementes mit einem Uiiimagnetisierungsfluß, welcher von einem geringeren Strom

als bisher üblich erzeugt wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Magnetschichtspeicherelement insbesondere zwei "geschlossene leichte. Achse"-Magnetschichten auf, welche an einem Leiter angebracht sind. Dieser Leiter verläuft rechtwinkelig zu einem weiteren Leiter, welcher durch eine Schicht aus magnetischem Material von einer leitenden Trägerschicht getrennt ist. Der zweitgenannte Leiter ist eine Wortleitung und baut ein Feld auf, welches parallel zu der schweren Achse der gekoppelten Magnetschichten verläuft. Der erstgenannte Leiter ist eine Bitleitung und baut ein feld in der einen oder in der anderen Richtung parallel zur Richtung der leichten Achse der gekoppelten Schichten auf und stellt den Remanenzzustand der Magnetschichten jeweils in einer von zwei, möglichen Arten ein. Mittels der obengenannten Anordnung nach der Erfindung ist bei Verwendung bisheriger Anordnungen ein höherer Bitleitungswiderstand erreichbar»- Außerdem, kann wegen der Schicht aus magnetischem Material zwischen der Trägerschicht und der Wortleitung ein stärkeres ß'eld als bisher an die Speicherschicht angelegt werden. Mit anderen Worten, für das Anlegen des zum Ummagnetisieren bzw. Lesen aus einer Speicherschicht erforderlichen Flusses ist ein geringerer Strom als bisher nötig. Die oben beschriebenen und weitere Merkmale und

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Vorteile der Erfindung ergeben sich" anschaulicher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer in.den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform. Im einzelnen zeigen die Zeichnungen:

Pig. 1 teilweise im Querschnitt eine

perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Magnetschiehtspeicherelementes, welches mit "geschlossene leichte Achse"-Schichten versehen ist und ein feldaufbauendes Element aufweist, und

Pig. 2 teilweise im Querschnitt eine

perspektivische Ansicht eines erfindungsgeraäßen Magnetschichtspeicherelementes, welches mit "geschlossene schwere Achse"-Schichten versehen ist und ein feldaufbauendes Element aufweist.

Vor der Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden zunächst ein Magnetschicht-

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speicherelement bisheriger Bauart beschrieben. In dieser Beschreibung wird lediglich ein schematisches Magnetschiehtspeicherelement, d.h. ein Speicherelement ohne Isolationsbzw, nichtmagnetische Schichten beschrieben. Ein bekanntes, in "geschlossene leichte Achse"~Anordnung ausgeführtes Speicherelement weist eine Speicherschicht auf, welche zwischen einer leitenden Trägerschicht und einem BitrLeseleiter angeordnet ist. Oben auf diesem Leiter ist eine weitere Magnetschicht angeordnet, welche zusammen mit der I Speicherschicht einen geschlossenen magnetischen Kreis

bildet. Bei diesem bekannten Speicherelement sind jeweils die leichten Achsen der beiden Magnetschichten senkrecht zur Längsachse des BitrLeseleiters ausgerichtet. Ein weiterer, als Wortleitung dienender Leiter verläuft senkrecht zu dem erstgenannten Leiter. Ein sogenannter Magnetanker ist über der Wortleitung angeordnet und sehließt den Wortleit'ungsmagnetfluß.

Bei einer derartigen, bekannten Anordnung werden mittels

an die beiden Leiter angelegter Stromimpulse mit Bezug auf die beiden genannten Magnetschichten senkrecht zueinander verlaufende magnetische Felder aufgebaut. Ein Impuls auf der Wortleitung richtet den Fluß in die schwere Richtung aus, d.h. parallel zur Längsachse des Bit-Leseleiters H_t während

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BADORIGlNAt.

ein Impuls positiver bzw. negativer Polarität auf dem Bit-Leseleiter die genannte Ausrichtung der Magnetisierung in der schweren Richtung in die eine bzw. in die andere Richtung längs der leichten Achse zum Umkippen bringt und damit eine binäre "Eins" bzw. "Null" speichert.

Wegen wohlbekannter Überlegungen im Zusammenhang mit einer Anordnung eines "Drahtes über einer Erdungsebene", wie sie beispielsweise in diesem Fall durch die Wortleitung und

™ die leitende Trägerschicht gebildet wird* kann man annehmen, daß ein Hauptanteil (90 %) des von einem Stromimpuls in der Wortleitung 6 hervorgerufenen Magnetfeldes sich augenblicklich zwischen der Wortleitung und der leitenden Trägerschicht aufbaut. Der über der Wortleitung angeordnete sogenannte Magnetanker bildet für den Wortleitungsfluß einen geschlossenen magnetischen Kreis und bewirkt außerdem eine Flußzunahme, welche durch die Permeabilitätskonstante des magnetischen Materiales, aus welchem der Anker gebildet ist,

m noch verstärkt wird. Dieser Magnetanker verringert in der Tat die Entmagnetisierungsfelder und vermindert damit den * zur Erzeugung eines bestimmten Flusses erforderlichen Wortleitungsstrom.

Aus dem vorhergehend gesagten geht hervor, daß der Magnetanker zusätzlich zur Verringerung der Entmagnetisierungs-

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felder eine Flußzunahme liefert, welche für.das Ummagnetisieren der beiden Magnetschichten nützlich ist und welche gleich dem Betrag des gegenwärtigen Flusses mal der Permeabilität des Magnetankers ist.

In Fig. 1 ist teilweise im Querschnitt eine perspektivische Ansicht eines Magnetschichtspeicherelementes 1 nach der Erfindung dargestellt. Der Aufbau dieses Speicherelementes macht von der vorteilhaften Tatsache Gebrauch, daß der Hauptanteil (90. %) des durch einen Leiter in einer Anordnung nach Art eines "Drahtes* über einer Erdungsebene" fließenden Stromes erzeugten Magnetfeldes sich unmittelbar zwischen diesem Leiter und der Ebene bzw. der leitenden Trägerschicht aufbaut.

Gremäß der Darstellung in Fig. 1 ist eine leitende Trägerschicht 3 von einer isolierenden Schicht 8 bedeckt. Ein feldaufbauendes Element 9 ist unmittelbar auf der Oberfläche der Isolationsschicht 8 angeordnet. Ein Leiter bzw. eine Wortleitung β ist oben auf dem Element 9 angeordnet und mit einer Isolationsschicht 10 bedeckt. Ein Leiter bzw. eine Bitleitung h verläuft senkrecht zur Wortleitung 6 und ist jeweils an seiner Oberseite bzw, Unterseite mit einer Magnetschicht 5 bzw. 2 bedeckt. Das feldaufbauende Element 9

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ÖAD OFHGIN/M.

weist aufragende Teile 9^! auf, welch letztere durch die Isolationsschicht 10 von der Magnetschicht 2 getrennt sind und welche mit dieser Magnetschicht 2 zusammen einen magnetischen Kreis bilden, welcher einen Spalt hoher Reluktanz mit minimaler magnetischer Weglänge aufweist. Die Magnetschichten bzw. 5 sind "geschlossene leichte Achse"-Schichten, deren leichte Achse jeweils senkrecht zur Längsachse der Bitleitung k ausgerichtet ist. Wenn ein Stromimpuls an die Wortleitung der in Fig. 1 dargestellten Anordnung angelegt ist, so baut sich ein Hauptanteil des Magnetfeldes (90$) augenblicklich zwischen der Wortleitung 6 und der Trägerschicht 3 auf. Der Hauptanteil des demgemäß erzielbaren Magnetfeldes tritt in das feldaufbauende Element 9 ein und bildet in Verbindung mit den aufragenden Teilen 9' des Elementes 9 und der Magnetschicht 2 einen magnetischen Kreis, welcher einen minimalen Luftspalt aufweist.

Der Betrag des vorhandenen Feldes multipliziert sich mit dem Permeabilitätsfaktor des Elementes 9· Aus diesem Grund ist ein viel größeres Magnetfeld zur Umschaltung bzw. Ummagnetisierung der in Fig. 2 dargestellten Speicherschicht als beispielsweise mit der eingangs beschriebenen, bekannten

Anordnung erzielbar. Es sei hier noch erwähnt, daß nur 10 % des erzielbaren Feldes multipliziert mit der fermeabilitätskonstanten des magnetischen Materiales zur Um-

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magnetisierung der Magnetschicht 2 bei der beschriebenen, bekannten Anordnung zur Verfügung stehen*

Aus der vorhergehenden Beschreibung ist damit ersichtlich, daß sich durch einfache Nebeneinanderanordnung von Elementen ein Magnetschichtspeicherelement ergibt, welches einen geringeren Worttreiberstrom erfordert, d.h· bei diesem erfindungsgemäßen Magnetschichtspeicherelement erzeugt ein schwächerer Strom einen zur Ummagnetisierung der Magnetschichten ausreichenden Magnetfluß· Außerdem muß das erzeugte Magnetfeld nicht, wie bei der eingangs besehriebenerr, bekannten Anordnung, die Bitleitung ¹I durchdringen, wodurch sich eine weitere Verringerung der Treiberströme ergibt» Da die Bitleitung k im wesentlichen, verglichen mit der bekannten Anordnung, weiter von der Trägerschicht 3 entfernt angeordnet ist, ergibt sich eine höhere Bitleitungsimpedanz. Eine größere Impedanz bzw· ein größerer Widerstand erfordert jedoch bei gleicher Ausgangsspannung geringere Leseströme , so daß sich demzufolge eine Verringerung der Schichtgröße ergibt,

Das in Pig· 1 dargestellte Magnetschichtspeioherelement wird durch dem Fachmann bestens bekannte Verfahren, wie beispielsweise Niederschlägen in Vakuum, fQtolithogräphie'» bzw. Ätzverfahren, hergestellt· Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speicherelementes weist eine

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Trägerschicht 3 aus Kupfer bzw, aus einem anderen leitenden Material mit einer Dicke von 120 000 A, eine Isolations-, schicht 8 aus Silikondi'oxyd bzw. Pyre M-L bzw. aus einem

anderen Isolationsmaterial mit einer Dicke von 3000 A, ein feldaufbauendes Element aus Permalloy bzw. aus einem anderen geeigneten Magnetmaterial mit einer Permeabilität von etwa 10 000 und einer Dicke von 2000 A, eine Wortleitung β aus Kupfer bzw. aus einem anderen leitenden Material mit einer

Dicke von 30 000 A, eine Isolationsschicht 10 aus Silikondioxyd bzw. Pyre M-L bzw. einem anderen geeigneten Isolationsmaterial mit einer Dicke von 20 000 A und schließlich zwei Magnetschichten 2 bzw. 5 auf, welch letztere jeweils aus

Permalloy bestehen, eine Dicke von 1000 A haben und zwischen welch letzteren ein Leiter bzw. eine Bitleitung 4 mit einer

Dicke von 60 000 A angeordnet ist.

Eine Information wird jeweils am gemeinsamen Schnittpunkt der Leiter 4 bzw, 6 in Teilen der Magnetschichten 2 bzw. 5 gespeichert. Aus jeweils mit den Leitern 4 bzw. 6 verbundenen Impulsquellen 11 bzw. 12 werden Stromimpulse über die Leiter geschickt. Diese, aus den Quellen 11 bzw. gelieferten Impulse haben Anstiegszeiten in der Größenordnung von 10 ns. Die erfindungsgemäße Anordnung gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist jedoch nicht auf den Betrieb mit Impulsen dieser Art beschränkt. Das in Fig. 2 dargestellte,

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erfindungsgemäße Magnetschichtspeicherelement wird zwar vorteilhaft in Dünnschichtspeichern beliebiger Größe verwendet, seine günstigste Anwendung findet es jedoch in mikrominiaturisierten Speieheranordnungen.

In Fig. 2 ist teilweise im Schnitt eine perspektivische Ansicht eines Magnetschichtspeicherelementes 1 dargestellt, welches mit Magnetschichten mit jeweils geschlossener schwerer Achse betrieben wird. Der Darstellung in Fig. 2 entsprechende Elemente sind in Fig. 2 jeweils mit gleichen Bezugsziffern versehen. Vom Aufbau her sehen die in den Fig. 1 bzw. 2 dargestellten' Speicherelemente nach der Erfindung gleich aus. Bei der Anordnung in Fig. 3 haben jedoch die Bitleitung 4 und die Wortleitung 6 gegenseitig ihre Plätze gewechselt. Darüberhinaus ist die leichte Achse der Schichten 2 bzw. 5 jeweils parallel zur Längsachse der Wortleitung 6 ausgerichtet. ■

Wenn ein Stromimpuls aus einer Impulsquelle 12 über die Wortleitung 6 geschickt wird, so baut sich der Hauptanteil des resultierenden Magnetfeldes augenblicklich zwischen der Wortleitung 6 und der Trägerschicht 3 auf. Das hat zur" Folge, daß dieser Hauptanteil des Magnetfeldes durch die Permeabilität des Elementes 9 noch vergrößert wird und daß der zur Erzeugung des gleichen Ummagnetisierungsfeldes erforderliche Treiberstrom schwächer ist. Aus einer Betrachtung

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der Darstellung in Fig. 2 geht hervor, daß die Bitleitungsimpedanz mit Bezug auf die in Pig. 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung geringer ist. Eine niedrige Bitleitungsimpedanz wird zwar nicht oft verlangt, die mögliche Entscheidung für eine geringere Bitleitungsimpedanz bzw. einen schwächeren Wortstrpra kann aber unter bestimmten beschränkten Konstruktionsbedingungen sich als lohnend erweisen.

Die Permeabilität des feldaufbauenden Elementes 9 ist mindestens fünf mal größer als die Permeabilität der Magnetschichten 2 bzw. 5· Je größer die Permeabilität des Elementes 9 ist, umso schwächer können die erforderlichen Treiberströme sein. Die Permeabilität einer Magnetschicht wird durch entsprechende Ausbildung der Dicke der Magnetschicht eingestellt. Mit steigender Dicke der Magnetschicht wird die Permeabilität größer. ,

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann über die beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiele hinaus selbstverständlich eine Vielzahl von Vereinfachungs- und Verbesserungsmöglichkeiten sowohl hinsichtlich des Aufbaues als auch der Einzelheiten des erfindungsgemäßen Magnetschichtspeicherelementes.

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Claims

Patentansprüche

Magnetschichtspeicherelement, gekennzeichnet durch eine Trägerschicht (3)> weiter durch zwei rechtwinkelig zueinander verlaufende Leiter (4, 6), welche oberhalb dieser Trägerschicht angeordnet sind, ferner durch zwei auf entgegengesetzten Seiten eines (k) der beiden Leiter angeordnete Magnetschichten (5, 2} und schließlieh durch ein feldauf- | bauendes Element (9)»welches zwischen dem anderen (6) der beiden Leiter und der Trägerschicht angeordnet ist.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine (*0 der beiden Leiter eine Bit-Leseleitung ist.
3, Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der andere (6) der beiden Leiter eine Wortleitung ist,
H. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine (k) der beiden Leiter eine Wortleitung ist.
5. Element nach Anspruch i* dadurch gekennzeichnet, daß der andere (6)^der beiden Leiter eine Bit-Leseleitung ist.

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6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5_S dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetschichten (2, 5) jeweils "geschlossene leichte Achse"-Schichten sind.
7· Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetschichten (2, 5) jeweils "geschlossene schwere Achse"-Schichten sind.
8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das feldaufbauende Element (9) aus einer Schicht'magnetischen Materials besteht.
9. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die das feldaufbauende Element (9) bildende Schicht aus nichtorientiertem magnetischem Material besteht.
10. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die das feldaufbauende Element (9) bildende Schicht aus orientiertem magnetischem Material besteht.
11. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Impulsquelle (11 bzw. 12) mit den beiden Leitern (4 bzw. 6) elektrisch gekoppelt ist,

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•welch letztere zueinander jeweils senkrecht orientierte Magnetfelder aufbauen und dadurch die Schichten (2, 5) in einen von zwei möglichen Remanenzzuständen ummagnetisieren.
12. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leseverstärker mit einem der beiden Leiter (4 bzw. 6) verbunden ist.
13. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Permeabilität des feldaufbauenden Elementes mindestens fünfmal größer ist als die Permeabilität der beiden Magnetschichten (2₉ 5).
14. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13V dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (3) leitend ist, daß weiter dieser Trägerschicht eine Schicht (8) aus nichtmagnetischem Material überlagert ist, daß ferner der Schicht aus niehtmagnetisehern Material eine feldaufbauende Schicht (9) aus magnetischem Material überlagert ist, daß weiterhin dieser feldaufbauenden Schicht der eine Leiter (4) überlagert ist, daß fernerhin diesem Leiter eine Schicht (10) aus nichtmagnetischem Material überlagert ist, daß des ferneren zu dem erstgenannten Leiter rechtwinkelig der genannte andere Leiter (6) verläuft und daß schließlich

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die beiden jeweils auf gegenüberliegenden Seiten dieses zweitgenannten Leiters verlaufenden magnetischen Schichten (2, 5) jeweils die gleiche Ausdehnung wie dieser zweitgenannte Leiter haben.

15· Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Trägerschicht (3) und die beiden Leiter (4, β) jeweils aus Ifapfer bestehen, daß weiter das niehtmagneti-™ sehe Material Pyre M-L ist, und daß schließlich die Magnetschichten (2, 5) und die feldaufbauende Schicht jeweils aus einer Nickel-Eisenverbindung bestehen.

16« Element nach einem der Ansprüche 1 bis 15» dadureiigekennzeichnet, daß mindestens eine einzelne magnet tische Speieherschicht in der Nähe eines der beiden Leiter (4 bzw. 6) angeordnet ist und daß der Hauptteil des feldaufbauenden Elementes(9) zwischen diesen beiden Leitern und der Trägerschicht (3) angeordnet ist.

17i Element nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das feldaufbauende Element (9) vorragende Teile (9¹) aufweist, welche von der magnetisch©» Speicherschicht (2) zwar räumlich getrennt sind, sieh jedoch in Richtung auf diese magnetische Speicherseliie&t hin erstrecken.

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