DE69719534T2 - Spineffektabhängiger tunnelspeicher - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ferromagnetische Dünnfilmstrukturen, die relativ große magnetoresistive Charakteristika aufweisen, und im einzelnen auf derartige Strukturen, die für die Speicherung und Wiedergewinnung von digitalen Daten verwendet werden.
  • Viele Arten von elektronischen Systemen verwenden magnetische Bauelemente, die sowohl digitale Systeme, beispielsweise Speicher, als auch analoge Systeme, beispielsweise Magnetfeldsensoren, umfassen. Digitale Datenspeicher werden in digitalen Systemen vieler verschiedener Arten, einschließlich Computern, Computersystemkomponenten und digitalen Signalverarbeitungssystemen, umfassend eingesetzt. Derartige Speicher können vorteilhafterweise auf der Speicherung von digitalen Symbolen als alternativen Magnetisierungszustände in magnetischen Materialien, die in jeder Speicherspeicherungszelle vorgesehen sind, beruhen, was zu Speichern führt, die weniger elektrische Leistung verbrauchen und auf ein Entfernen einer solchen elektrischen Leistung hin keine Informationen verlieren.
  • Derartige Speicherzellen und auch Magnetfeldsensoren können vorteilhafterweise oft unter Verwendung von ferromagnetischen Dünnfilmmaterialien hergestellt werden und beruhen oft auf einem magnetoresistiven Erfassen von magnetischen Zuständen bzw. magnetischen Bedingungen in denselben. Derartige Bauelemente können auf einer Oberfläche einer monolithischen integrierten Schaltung vorgesehen sein, um zweckmäßige elektrische Verbindungen zwischen dem Bauelement und der Betriebsschaltungsanordnung für dieselbe zu liefern.
  • Speicherzellen aus ferromagnetischem Dünnfilm können beispielsweise sehr klein und sehr dicht gedrängt hergestellt werden, um eine beträchtliche Dichte an Informationsspei cherung zu erzielen, insbesondere wenn sie so auf der Oberfläche einer monolithischen integrierten Schaltung vorgesehen sind. In dieser Situation kann die magnetische Umgebung ziemlich komplex werden, wobei Felder in jeglicher Speicherzelle die Filmabschnitte in benachbarten Speicherzellen beeinflussen. Ferner können kleine Abschnitte ferromagnetischen Films in einer Speicherzelle zu beträchtlichen Entmagnetisierungsfeldern führen, die Instabilitäten des in einer solchen Zelle erwünschten Magnetisierungszustands bewirken können.
  • Diese magnetischen Effekte zwischen Nachbarn in einem Array aus dicht gedrängten Speicherzellen mit ferromagnetischem Dünnfilm können in beträchtlichem Maße verbessert werden, indem eine Speicherzelle bereitgestellt wird, die auf einem Zwischentrennmaterial beruht, das zwei Hauptoberflächen aufweist, auf denen jeweils ein anisotroper ferromagnetischer Speicherdünnfilm vorgesehen ist. Eine derartige Anordnung liefert einen beträchtlichen „Flußverschluß", d. h. einen stärker begrenzten Magnetflußweg, um dadurch das Magnetfeld, das in der Zelle entsteht, darauf zu begrenzen, hauptsächlich nur diese Zelle zu beeinflussen. Dieses Ergebnis wird dadurch beträchtlich verstärkt, daß das Trennmaterial in den Speicherzellen aus ferromagnetischem Dünnfilm jeweils ausreichend dünn gewählt wird. Ähnliche „Sandwich"-Strukturen werden auch bei Magnetsensoren verwendet.
  • In der jüngsten Vergangenheit wurde gezeigt, daß ein Verringern der Dicken der ferromagnetischen Dünnfilme und der Zwischenschichten in ausgedehnten „Sandwich"-Strukturen und ein Hinzufügen von möglicherweise Abwechselnden derartiger Filme und Schichten, d. h. Supergitter, dazu führen, daß unter manchen Umständen ein „magnetoresistiver Giant-Effekt" vorliegt. Dieser Effekt ergibt ein magnetoresistives Ansprechen, das bis zu einer Größenordnung größer sein kann als das hinreichend bekannte anisotrope magnetoresistive Ansprechen.
  • Bei dem gewöhnlichen anisotropen magnetoresistiven Ansprechen führt ein Variieren des Unterschieds, der zwischen der Richtung des Magnetisierungsvektors in einem ferromagnetischen Dünnfilm und der Richtung von Erfassungsströmen, die durch diesen Film geleitet werden, zu einem variierenden elektrischen Wirkwiderstand in dem Film in der Richtung des Stroms. Der maximale elektrische Widerstand liegt vor, wenn der Magnetisierungsvektor in dem Feld und die Stromrichtung in demselben zueinander parallel sind, während der minimale Widerstand vorliegt, wenn sie zueinander senkrecht sind. Es kann gezeigt werden, daß der gesamte elektrische Widerstand in einem derartigen magnetoresistiven ferromagnetischen Film durch einen konstanten Wert, der den minimalen Widerstand darstellt, plus einen zusätzlichen Wert, der von dem Winkel zwischen der Stromrichtung in dem Film und dem Magnetisierungsvektor in demselben abhängig ist, gegeben wird. Dieser zusätzliche Widerstand weist eine Größencharakteristik auf, die dem Quadrat des Cosinus dieses Winkels folgt.
  • Extern angelegte Stellmagnetfelder können verwendet werden, um den Winkel des Magnetisierungsvektors in einem solchen Filmabschnitt bezüglich der Achse der leichten Magnetisierbarkeit dieses Films zu variieren. Eine derartige Achse liegt in dem Film aufgrund einer in demselben vorliegenden Anisotropie vor, die sich in der Regel aus einem Aufbringen des Films während einer Herstellung in der Anwesenheit eines externen Magnetfelds ergibt, das in der Ebene des Films entlang der Richtung ausgerichtet ist, die für die Achse der leichten Magnetisierbarkeit in dem sich ergebenden Film gewünscht ist. Während eines nachfolgenden Betriebs des Bauelements, das diesen resultierenden Film aufweist, können derartige extern angelegte Stellmagnetfelder verwendet werden, um den Winkel so stark zu variieren, um ein Umschalten des Filmmagnetisierungsvektors zwischen zwei stabilen Zuständen, die für die Magnetisierung auftreten, die in entgegengesetzten Richtungen entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit des Films ausgerichtet ist, zu bewirken. Der Zustand des Magnetisierungsvektors in einem solchen Film kann durch die Änderung des Widerstands, auf den ein Strom, der durch diesen Filmabschnitt geleitet wird, trifft, gemessen oder erfaßt werden. Diese Anordnung lieferte die Basis dafür, daß ein ferromagnetischer, magnetoresistiver anisotroper Dünnfilm als Speicherzelle dient.
  • Im Gegensatz zu dieser Anordnung ist der Widerstand in der Ebene eines ferromagnetischen Dünnfilms isotropisch für den magnetoresistiven Giant-Effekt, statt von der Richtung des Erfassungsstroms durch denselben abzuhängen, was den anisotropen magnetoresistiven Effekt betrifft. Der magnetoresistive Giant-Effekt beinhaltet eine Änderung des elektrischen Widerstands der Struktur, von dem man annimmt, daß er aufgrund des Durchlaufs von Leitungselektronen zwischen den ferromagnetischen Schichten in der „Sandwich"-Struktur bzw. Supergitterstruktur durch die trennenden nichtmagnetischen Schichten entsteht, wobei die sich ergebende Streuung, die an den Schichtgrenzflächen und in den ferromagnetischen Schichten auftritt, von den Elektronenspins abhängig ist. Die magnetisierungsabhängige Komponente des Widerstands in Verbindung mit diesem Effekt variiert wie der Sinus des absoluten Wertes des halben Winkels zwischen den Magnetisierungsvektoren in den ferromagnetischen Dünnfilmen, die auf beiden Seiten einer nichtmagnetischen Zwischenschicht vorgesehen sind. Der elektrische Widerstand bei dem magnetoresistiven Giant-Effekt durch die „Sandwich"- bzw. Supergitterstruktur ist geringer, wenn die Magnetisierungen in den getrennten ferromagnetischen Dünnfilmen parallel und in dieselbe Richtung ausgerichtet sind, als wenn diese Magnetisierungen antiparallel, d. h. in entgegengesetzten oder teilweise entgegengesetzten Richtungen, ausgerichtet sind. Ferner ist der anisotrope magnetoresistive Effekt bei sehr dünnen Filmen bezüglich der Volumenwerte für denselben in dickeren Filmen aufgrund einer Oberflächenstreuung beträchtlich verringert, während ein beträchtlicher magnetoresistiver Giant-Effekt lediglich bei sehr dünnen Filmen erhalten wird. Trotzdem bleibt der anisotrope magnetoresistive Effekt in den Filmen, die in Strukturen mit einem magnetoresistiven Giant-Effekt verwendet werden, vorhanden.
  • Wie oben angegeben wurde, kann der magnetoresistive Giant-Effekt dadurch erhöht werden, daß weitere alternative nichtmagnetische und ferromagnetische Dünnfilmzwischenschichten hinzugefügt werden, um eine „Sandwich"-Struktur zu einer gestapelten Struktur, d. h. einer Supergitterstruktur, zu erweitern. Vor dem Hintergrund der Erläuterung, daß ein größerer Bruchteil von Leitungselektronen sich freier von einer ferromagnetischen Dünnfilmschicht zu einer anderen bewegen darf, wenn die Magnetisierungen in diesen Schichten parallel sind, als wenn sie antiparallel oder teilweise antiparallel sind, was dazu führt, daß die Magnetisierungszustände der Schichten als eine Art „Ventil" agieren, wird dieser magnetoresistive Giant-Effekt manchmal als der „Spinventil-Effekt" bezeichnet.
  • Somit ist eine digitale Datenspeicherzelle, die auf der Verwendung von Strukturen beruht, die den magnetoresistiven Giant-Effekt aufweisen, im Vergleich zu Strukturen, die auf einer Verwendung eines anisotropen magnetoresistiven Effekts beruhen, aufgrund der größeren Signale, die bei Informationswiedergewinnungsoperationen in bezug auf derartige Zellen erhältlich sind, attraktiv. Solche größeren Signale sind beim Vorhandensein von Rauschen leichter ohne Fehler zu erfassen, was somit zu weniger kritischen Anforderungen an die Wiedergewinnungsbetriebsschaltungsanordnung führt.
  • Eine Speicherzellenstruktur, die geeignet ist, um das Speichern und Zurückhalten eines digitalen Bits von Informationen zu erlauben, und um ein Wiedergewinnen desselben von denselben zu erlauben, wurde auf der Basis einer mehrschichtigen „Sandwich"-Konstruktion in einem rechteckigen Festkörper demonstriert. Diese Zelle weist ein Paar von ferromagnetischen Schichten gleicher Dicke und Fläche auf, die durch eine leitfähige nichtmagnetische Schicht derselben Form und Fläche, die zu den ferromagnetischen Schichten parallel ist, aber eine geringere Dicke aufweist, getrennt sind. Diese ferromagnetischen Schichten sind jeweils eine zusammengesetzte Schicht, die aus zwei Lagen gebildet sind, die jeweils aus einem unterschiedlichen magnetischen Material bestehen, wobei in jeder der zusammengesetzten Schichten benachbart zu der nichtmagnetischen Schicht eine relativ dünne ferromagnetische Lage vorliegt, und in jeder der zusammengesetzten Schichten benachbart zu der dünnen ferromagnetischen Lage in denselben eine dickere ferromagnetische Lage vorliegt. Das ferromagnetische Material der dicken Lage in einer der zusammengesetzten Schichten ist dasselbe wie das in der dünnen Lage in der anderen zusammengesetzten Schicht, und das ferromagnetische Material der dünnen Lage in der ersten zusammengesetzten Schicht ist dasselbe wie das ferromagnetische Material in der dicken Lage der zweiten zusammengesetzten Schicht. Jede der zusammengesetzten Schichten wird in der Gegenwart eines Magnetfelds hergestellt, um zu bewirken, daß sie eine Achse der leichten Magnetisierbarkeit aufweisen, die parallel zu den langen Seiten des rechteckigen Festkörpers ist. Die Abmessungen der Zellstruktur betrugen bei einer nichtmagnetischen Schicht einer Dicke von 30 Å 10 μm (Länge) und 5 μm (Breite). Die zusammengesetzten ferromagnetischen Schichten sind jeweils aus einer 15 Å dünnen Lage und einer 40 Å dicken Lage gebildet.
  • Somit weist diese Speicherzellenstruktur ein Paar von ferromagnetischen Schichten übereinstimmender Geometrien, aber unterschiedlicher magnetischer Materialien in den Lagen derselben auf, um zu bewirken, daß eine solche Schicht effektiv eine größere Sättigungsmagnetisierung und ein größeres Anisotropiefeld aufweist als die andere, um unterschiedliche Koerzitivfeldstärken der beiden zu bewirken. Ferner führt die Struktur zu einem Koppeln der Magnetisierung zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten in derselben aufgrund eines Austauschkoppelns zwischen denselben, was dazu führt, daß die Magnetisierungen in jeder derselben in der Abwesenheit von angelegten Magnetfeldern parallel zueinander sind. Folglich wird der elektrische Widerstand der Zelle entlang ihrer Länge gegenüber angelegten Magnetfeldern in jeder der beiden hierzu parallelen Richtungen durch zwei Charakteristika dargestellt, die von der Magnetisierungsgeschichte der Zelle abhängig sind. Jede dieser Charakteristika weist für angelegte longitudinale Felder, die Absolutwerte von etwas mehr als Null aufweisen, eine Spitze dieses Widerstands auf, wobei eine dieser Charakteristika ihre Spitze für positive angelegte longitudinale Felder aufweist und die andere Charakteristik ihre Spitze für negative angelegte longitudinale Felder aufweist. Die Charakteristik, der der Widerstand der Zelle für relativ kleine angelegte longitudinale Felder folgt, hängt davon ab, in welcher Richtung die Magnetisierung entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit für die eine der beiden ferromagnetischen Schichten, die die größere Koerzitivfeldstärke aufweist, ausgerichtet ist. Durch ein Einstellen der Magnetisierung der Schicht mit der höheren Koerzitivfeldstärke kann ein Bit von digitalen Informationen gespeichert und zurückgehalten werden, und der Wert dieses Bits kann wiedergewonnen werden, ohne diese Rückhaltung durch eine Bestimmung dessen, welcher Charakteristik der Widerstand für ein relativ kleines angelegtes longitudinales Feld folgt, zu beeinflussen.
  • Ein derartiges Speicherzellverhalten für diese Struktur kann dadurch modelliert werden, daß davon ausgegangen wird, daß die ferromagnetischen Schichten in derselben jeweils eine einzelne magnetische Domäne sind, so daß ein Positionieren der Magnetisierungsvektoren in den ferromagnetischen Schichten auf einer kohärenten Drehung beruht, und daß einachsige Anisotropien diese Schichten charakterisieren. Die Winkel der Magnetisierungsvektoren in den beiden ferromagnetischen Schichten bezüglich der Achse der leichten Magnetisierbarkeit in diesen Schichten werden dann gefunden, indem die magnetische Energie dieser Anisotropien, summiert mit denen, die auf die angelegten externen Felder und auf ein Austauschkoppeln zurückzuführen sind, minimiert wird. Diese Gesamtenergie pro Volumeneinheit beträgt dann ET01 = E1 + E2 + E12 = Ku1 sin2 θ1 – Ms1H cos (Ψ – Θ1) + Ku2 sin2 Θ2 – Ms2H cos (Ψ – Θ2) + A12 cos (Θ1 – Θ2).
  • Hier sind Ku1 und Ku2 Anisotropiekonstanten, A12 ist die Austauschkonstante, Ms1 und Ms2 sind die Magnetisierungssättigungswerte und H ist das extern angelegte Feld. Nachdem die Magnetisierungsvektoren eine winkelmäßige Position bezüglich der Achse der leichten Magnetisierbarkeit der entsprechenden Schicht bei einem Minimum der oben angegebenen Energie eingenommen haben, wird der Wirkwiderstand zwischen den Enden der Speicherzellenstruktur durch den Nettowinkel zwischen den Magnetisierungsvektoren in jeder dieser Schichten bestimmt, wie oben angegeben wurde.
  • Aufgrund der Annahme eines Einzeldomänenverhaltens in den ferromagnetischen Schichten würde man dementsprechend erwarten, daß die obige Gleichung ihre Annäherung der unterstützenden gesamten magnetischen Energie verbessert, wenn sich die Länge und Breite dieser Speicherzellenstruktur zu Submikrometerabmessungen hin verringert. Diese Funktionsweise, die für ein Bereitstellen der beiden magnetoresistiven Charakteristika auf der Basis der Geschichte der Schichtmagnetisierungen in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Anisotropiefeldern in den beiden ferromagnetischen Schichten aufgrund der in denselben verwendeten unterschiedlichen Materialien beschrieben wird, wird jedoch in dem Maße, wie diese Abmessungen immer kleiner werden, immer unzuverlässiger. Dies scheint deshalb stattzufinden, weil ein Verringern der Zellenabmessungen immer größere Entmagnetisierungsfelder in den beiden ferromagnetischen Schichten entstehen läßt, die an einem gewissen Punkt die Effekte der Anisotropiefelder überwältigen, so daß das oben beschriebene Verhalten nicht mehr wie beschrieben auftritt. Ferner drehen sich die Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Schichten zusammen unter dem Einfluß extern angelegter Felder bei Winkeln bezüglich der jeweiligen Achse der leichten Magnetisierbarkeit bei winkelmäßigen Größen, die viel eher fast gleich zueinander sind, aufgrund der zunehmenden Entmagnetisierungsfelder in diesen Schichten, während die Abmessungen derselben abnehmen. Folglich sind diese ferromagnetischen Schichten immer weniger in der Lage, die Magnetisierungen derselben unabhängig voneinander die Ausrichtungsrichtung umschalten zu lassen, während die Abmessungen derselben abnehmen, so daß die Struktur, in der sie sich befinden, weniger in der Lage ist, die oben beschriebene Speicherfunktion zu liefern, wenn sie sich lediglich auf diese Anisotropieunterschiede der ferromagnetischen Schichten verläßt.
  • Eine alternative Speicherzellenstruktur, die für Submikrometerabmessungen eher geeignet ist, ist eine Zelle des oben beschriebenen Typs, die einen „magnetoresistiven Giant-Effekt" aufweist, bei der jedoch die beiden zusammengesetzten ferromagnetischen Schichten in der dicken Lage in denselben mit unterschiedlichen Dicken gebildet sind. Somit kann die dicke Lage in einer beispielsweise eine Größenordnung von 40 Å aufweisen, während die der anderen eine Größenordnung von 55 Å aufweisen kann. Bei dieser Struktur verwendet ein Verringern der Größe auf Submikrometerabmessungen die Formanisotropie, die durch diesen Dickenunterschied eingebracht wird, um unterschiedliche Umschaltschwellen für jede der ferromagnetischen zusammengesetzten Schichten ansprechend auf extern angelegte Stellmagnetfelder zu liefern. Die Formanisotropie führt zu dem Effekt, daß das Entmagnetisierungsfeld einer Schicht die Umschaltschwelle der anderen beeinflußt, nachdem die erstgenannte Schicht ihre Magnetisierungsrichtung umgeschaltet hat. Folglich weist die dickere ferromagnetische Schicht eine Magnetisierung auf, die für extern angelegte Stellmagnetfelder, die gerade ausreichend sind, um die dünnere ferro magnetische zusammengesetzte Schicht umzuschalten, aber nicht groß genug sind, um die Magnetisierung der dickeren ferromagnetischen zusammengesetzten Schicht umzuschalten, bezüglich ihrer Ausrichtung feststehend ist. Tatsächlich dominieren die Entmagnetisierungsfelder, wenn das Bauelement ausreichend klein wird, die Anisotropiefelder, die sich aus der Aufbringung der ferromagnetischen Schichten in der Gegenwart eines Magnetfeldes ergeben.
  • In der Abwesenheit eines extern angelegten Stellmagnetfeldes weisen die Magnetisierungen der beiden zusammengesetzten ferromagnetischen Schichten in entgegengesetzte Richtungen, d. h. sie sind zueinander antiparallel, was insgesamt dazu führt, daß die Struktur relativ kleine Zellentmagnetisierungsfelder und kleine externe Streufelder aufweist, um die nahegelegenen Speicherzellen zu beeinflussen. die Magnetisierungsrichtung in der dickeren ferromagnetischen zusammengesetzten Schicht wird verwendet, um die digitalen Informationen zu speichern, die lediglich durch extern angelegte Felder, die groß genug sind, um Magnetisierungsrichtungen in beiden zusammengesetzten ferromagnetischen Schichten umzuschalten, in bezug auf ihre Richtung geändert werden können. Das heißt, daß ein Speichern von neuen Informationen in der Zelle erfordert, daß die dickere ferromagnetische Schicht in der Lage sein muß, daß die Magnetisierungsrichtung in derselben so umgeschaltet wird, daß sie mit den eingehenden digitalen Daten in Einklang steht.
  • Ein Wiedergewinnen von Informationen aus einer derartigen Speicherzelle wird dadurch bewerkstelligt, daß die Magnetisierungsrichtung der dünneren ferromagnetischen zusammengesetzten Schicht lediglich als Basis dafür umgeschaltet wird, zu bestimmen, in welcher Richtung relativ zu der dünneren Schicht die Magnetisierung in der dickeren Schicht ausgerichtet ist. In der Regel bedeutet sowohl ein derartiges Speichern als auch Wiedergewinnen bisher, daß ein Paar von externen Leitern vorliegen muß, die gleichzeitig Strom liefern, um ein Feld zu bewirken, das groß genug ist, um die Magnetisierung der dickeren ferromagnetischen zusammengesetzten Schicht umzuschalten, wobei jedoch dieser Strom in jedem der beiden Leiter allein in der Lage ist, Felder zu erzeugen, die lediglich ausreichend sind, um die Schwelle der dünneren ferromagnetischen Schicht umzuschalten. In manchen Situationen muß lediglich ein einziger externer Leiter für diesen Zweck vorgesehen sein, da der Erfassungsstrom, der beim Wiedergewinnen von Informationen aus der Speicherzelle verwendet wird, den gleichzeitigen Strom bzw. Koinzidenzstrom liefern kann, der mit dem Strom in dem externen Leiter benötigt wird, um die Magnetisierungsrichtung der dickeren ferromagnetischen Schicht umzuschalten. Eine derartige Speicherzelle ist in einer früher eingereichten, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung von A. Pohm und B. Everitt mit dem Titel „Giant Magnetoresistive Effect Memory Cell" mit der U.S.-Seriennummer 08/923,478, die an den Anmelder dieser Erfindung übertragen wurde, beschrieben.
  • Die WO 98/10423, die der U.S.-Seriennummer 08/923,478 entspricht, beschreibt einen Digitalspeicher auf der Basis eines ferromagnetischen Dünnfilms, wobei der Speicher folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Bitstrukturen, die mit einer Informationswiedergewinnungsschaltungsanordnung elektrisch verbunden ist, wobei die Bitstrukturen folgende Merkmale aufweisen: eine elektrisch isolierende Zwischenschicht einer ausgewählten Dicke, wobei die Zwischenschicht an gegenüberliegenden Seiten derselben zwei Hauptoberflächen aufweist; und einen Speicherfilm eines anisotropen ferromagnetischen Materials auf jeder der Hauptoberflächen der Zwischenschicht mit Dicken, die sich von diesen Oberflächen nach außen um mindestens 5% voneinander unterscheiden, um dadurch vorwiegend Umschaltschwellen für Magnetisierungen des Films benachbart zu jeder der Zwischenschicht-Hauptoberflächen zu liefern, die sich bezüglich ihres Wertes für ein Umschalten dieser Magnetisierungen ausgehend von einem Zustand, in dem beide anfäng lich zumindest teilweise in einer im wesentlichen gemeinsamen Richtung gerichtet sind, in einen Zustand, in dem sie zumindest teilweise in im wesentlichen entgegengesetzten Richtungen gerichtet sind, gegenüber einem Umschalten ausgehend von einem Zustand, in dem sie anfänglich zumindest teilweise in im wesentlichen entgegengesetzten Richtungen gerichtet sind, in einen Zustand, in dem beide zumindest teilweise in einer im wesentlichen gemeinsamen Richtung gerichtet sind, unterscheiden; und eine Mehrzahl von Wortleitungsstrukturen, die jeweils ein Paar von Wortleitungsendanschlußregionen aufweisen, die ausgelegt sind, um einen elektrischen Strom in zumindest einer Richtung durch dieselben zu leiten, wobei jedes der Paare von Wortleitungsendanschlußregionen einen elektrischen Leiter, der zwischen denselben elektrisch verbunden ist, aufweist, der über eine elektrisch isolierende Schicht von dem Speicherfilm auf einer der Hauptoberflächen der Zwischenschicht einer entsprechenden der Bitstrukturen angeordnet ist.
  • Eine in einer „Sandwich"-Struktur gebildete derartige Zelle weist in der Regel ein Ausgangssignal auf, das eine Widerstandsänderung in der Größenordnung von 5% bis 6% im Vergleich zu dem nominalen Widerstand der Zelle aufweist. Die Wiedergewinnung von Daten aus einer derartigen Zelle erfordert in der Regel die Verwendung einer „Automatische-Nullpunkteinstellung"-Schaltungsanordnung, die, wenn sie vor dem Wiedergewinnungsschritt betrieben wird, Wiedergewinnungsschaltungsungleichgewichte eliminiert. Dieses Erfordernis, gekoppelt mit den relativ großen Strömen, die bei diesem letztgenannten Typ von Speicherzelle verwendet werden, führt zu einem Verlangsamen des Betriebs dieser Zelle, und derartige Ströme führen ferner zu einer beträchtlichen Leistungsdissipation. Somit besteht ein Wunsch nach einer alternativen Anordnung für eine derartige „Sandwich"-Struktur, welche Submikrometerabmessungen aufweist, die einen wünschenswerten Magnetwiderstand gegenüber Charakteristika eines angelegten Magnetfeldes liefern, welche zum Speichern und Wiedergewinnen von Bits von digitalen Dateninformationen verwendet werden kann, die jedoch ein größeres Signal mit einer geringeren Leistungsdissipation bereitstellt, so daß derartige Wiedergewinnungen mit einer größeren Rate ohne eine unzulässige Wärmeerzeugung bewerkstelligt werden können.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung liefert einen digitalen Datenspeicher, der zusätzlich zu der Struktur der WO 98/10423 das Merkmal umfaßt, daß die Zwischenschichthauptoberflächen, die zu dem Speicherfilm benachbart sind, eine Oberflächenfläche aufweisen, die zusammen mit der Zwischenschichtdicke eine Zeitkonstante für eine elektrische Versorgung der Bitstrukturen mit Energie, die weniger als 35 μs beträgt, liefert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A und 1B stellen eine Draufsicht eines Abschnitts einer Struktur einer monolithischen integrierten Schaltung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, und ein Schichtdiagramm eines Teils dieser Struktur dar,
  • 2 stellt einen bruchstückhaften Abschnitt des Schichtdiagramms der 1B dar,
  • 3A und 3B stellen eine Draufsicht eines Abschnitts einer Struktur einer monolithischen integrierten Schaltung, die eine Alternative zu der Erfindung verkörpert, und das in 1A und 1B gezeigte Schichtdiagramm eines Teils dieser Struktur dar,
  • 4 stellt ein Charakteristikdiagramm für Strukturen dar, die ähnlich einer der in 1A, 1B und 2 gezeigten sind,
  • 5A und 5B stellen eine Draufsicht einer Struktur der 1A, 1B und 2 sowie eine Annäherung an dieselbe dar,
  • 6 stellt einen Graphen von Ansprechverhalten für eine Struktur dar, die ähnlich einer der in 1A, 1B und 2 gezeigten ist,
  • 7A und 7B zeigen Graphen von Charakteristika für eine Struktur, die ähnlich einer der in 1A, 1B und 2 gezeigten ist,
  • 8A und 8B sind ein schematisches Schaltungsdiagramm eines Abschnitts eines digitalen Speichersystems auf der Basis der in 1A, 1B und 2 gezeigten Struktur, und eine Ersatzschaltung eines Abschnitts dieses schematischen Schaltungsdiagramms,
  • 9A und 9B sind ein schematisches Schaltungsdiagramm eines Abschnitts eines alternativen digitalen Speichersystems auf der Basis der in 1A, 1B und 2 gezeigten Struktur, und ein Schichtdiagramm, das eine zusätzliche Struktur zu der in 1A, 1B und 2 gezeigten zeigt,
  • 10A und 10B sind ein schematisches Schaltungsdiagramm eines Abschnitts eines alternativen digitalen Speichersystems auf der Basis einer Struktur, die teilweise ähnlich der in den 1A, 1B und 2 gezeigten ist, und ein Schichtdiagramm, das diese Struktur zeigt, und
  • 11A, 11B und 11C sind schematische Schaltungsdiagramme eines Ab schnitts von alternativen digitalen Speicher systemen auf der Basis der in 1A, 1B und 2 gezeigten Struktur.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Es kann eine digitale Datenbitspeicherungs- und -wiedergewinnungsspeicherzelle, die für eine Herstellung mit Submikrometerabmessungen geeignet ist, hergestellt werden, die rasche Wiedergewinnungen von in derselben gespeicherten Bitdaten und eine geringe Leistungsdissipation liefert, indem ein Leiter in der nichtmagnetischen Schicht durch einen elektrischen Isolator ersetzt wird. Diese Speicherzelle kann unter Verwendung von ferromagnetischen Dünnfilmmaterialen ähnlicher oder unterschiedlicher Arten in jedem der magnetischen Speicherfilme hergestellt werden, die in einer „Sandwich"-Struktur auf beiden Seiten einer nichtmagnetischen Zwischenschicht verwendet werden, wobei die ferromagnetischen Filme zusammengesetzte Filme sein können und wobei diese nichtmagnetische Zwischenschicht jedoch vorwiegend auf der Basis eines „Tunnel"-Stroms eines elektrodynamischen Quanteneffekts einen elektrischen Strom durch dieselbe leitet.
  • Dieser „Tunnel"-Strom weist eine Größe auf, die von dem Winkel zwischen den Magnetisierungsvektoren in jeder der ferromagnetischen Schichten auf beiden Seiten der Zwischenschicht aufgrund der durch diese Zwischenschicht vorgesehene Übertragungsbarriere abhängig ist, in Abhängigkeit von dem Grad der Übereinstimmung der Spinpolarisationen der Elektronen, die durch dieselbe tunneln, mit den Spinpolarisationen der Leitungselektronen in den ferromagnetischen Schichten, die durch ihre Magnetisierungsrichtungen eingestellt werden, um einen „Magnetventileffekt" zu liefern. Ein derartiger Effekt führt zu einem Wirkwiderstand oder einem Wirkleitwert, der diese Zwischenschicht bezüglich des „Tunnel"-Stroms durch dieselbe charakterisiert. Ferner wird in einer derartigen Zelle eine Formanisotropie verwendet, um in den beiden ferromagnetischen Schichten unterschiedliche Magnetisierungsumschaltschwellen zu liefern, indem eine der ferromagnetischen Schichten dicker als die andere gebildet wird. Derartige Bauelemente können auf einer Oberfläche einer monolithischen integrierten Schaltung vorgesehen sein, um dadurch ein Bereitstellen zweckmäßiger elektrischer Verbindungen zwischen jedem derartigen Speicherzellenbauelement und der Betriebsschaltungsanordnung für dasselbe zu ermöglichen.
  • Eine „Sandwich"-Struktur für eine derartige Speicherzelle, die darauf beruht, daß sie eine dünne Zwischenschicht eines nichtmagnetischen dielektrischen Trennmaterials mit zwei Hauptoberflächen aufweist, auf der jeweils ein anisotroper ferromagnetischer Dünnfilm positioniert ist, weist den „Magnetventileffekt" auf, falls die Materialien für die ferromagnetischen Dünnfilme und die Zwischenschichten ordnungsgemäß ausgewählt sind und ausreichend geringe Dicken aufweisen. Der sich ergebende „Magnetventileffekt" kann ein Ansprechverhalten ergeben, das das Vielfache desjenigen aufweisen können, das auf den „magnetoresistiven Giant-Effekt" in einer Zellstruktur einer ähnlichen Größe zurückzuführen ist.
  • 1A zeigt eine Draufsicht eines Beispiels derartiger Speicherzellen als Teil eines Digitalspeichers, der als Abschnitt einer monolithischen integrierten Schaltung gebildet ist, das einen Trägerhalbleiterchip als Teil des Speichersubstrats aufweist, in dem zweckmäßigerweise die Betriebsschaltungsanordnung für diesen Speicher vorgesehen sein kann. 1B liefert eine fragmentarische Ansicht eines Abschnitts der in 1A gezeigten Ansicht, um die geschichtete Struktur desselben zu zeigen, und weist ebenfalls weggebrochene Teile desselben auf, um einen Teil der Struktur unter demselben zu zeigen, wiederum der größeren Deutlichkeit halber. Die Schutzschicht, die über Abschnitten der in 1A gezeigten Struktur im tatsächlichen Gebrauch vorgesehen ist, wurde bei dieser Ansicht der Deutlichkeit halber weggelassen, diese Schicht ist jedoch in 1B teilweise gezeigt. Bestimmte andere Abschnitte mancher Schichten wurden wiederum der Deutlichkeit halber weggelassen, so daß die vorhandenen Strukturabschnitte in der Form einer durchgezogenen Linie gezeigt sind, wenn sie in der Abwesenheit einer nun weggelassenen gewissen Schicht über denselben freiliegen, wobei jedoch andere Strukturabschnitte unter den Abschnitten in Form einer durchgezogenen Linie, die in diesen Figuren erscheinen, in Form einer gestrichelten Linie gezeigt sind.
  • 2, die ein Schichtdiagramm eines entsprechenden Abschnitts der in 1A und 1B gezeigten Strukturen ist, entspricht den 1A und 1B. Dieses Schichtdiagramm zeigt die strukturellen Schichten auf, die zu Abschnitten der in 1A und 1B gezeigten Strukturen führen, 1B und 2 sind jedoch insofern keine wahrheitsgetreuen Querschnittsansichten, als viele Abmessungen in denselben der Deutlichkeit halber übertrieben oder verkleinert dargestellt sind.
  • Wie oben angegeben wurde, sind die Speicherzellenstrukturen in diesen Figuren in der Regel auf einem Halbleiterchip 10 vorgesehen, der eine geeignete Betriebsschaltungsanordnung für den in der sich ergebenden monolithischen integrierten Schaltungsstruktur vorgesehenen Speicher aufweist. Eine auf dem Halbleiterchip 10 durch ein Aufsputtern von Siliziumnitrid gebildete elektrische isolierende Schicht 11 trägt die Speicherzellen-„Sandwich"-Strukturen auf derselben, von denen jede ein Paar von ferromagnetischen Dünnfilmschichten aufweist, die, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, durch eine nichtmagnetische, elektrisch nicht leitfähige oder dielektrische Zwischenschicht bzw. Sperrschicht voneinander getrennt sind. Ein Abschnitt dieser Schicht 11 ist in der Hochauflösungszeichnung der 2 gezeigt. In der Regel ist die Schicht 11 durch dieses Siliziumnitrid, das bis zu einer Dicke von etwa 10.000 Å aufgebracht ist, gebildet. Ein Photoresist ist über die Schicht 11 verteilt und strukturiert, um Durchgangsöffnungen durch dieselbe und durch geeignete der isolierenden Schichten in der integrierten Schaltung 10 zu liefern.
  • Eine erste Verbindung 11' für die oben angegebenen Speicherzellen-„Sandwich"-Strukturen wird als nächstes auf der isolierenden Schicht 11 vorgesehen, sowohl als diese Verbindung als auch als ein weiterer Substratabschnitt zum Tragen der Speicherzellen-„Sandwich"-Strukturen, die anschließend bereitgestellt werden sollen. Somit wird eine Metallaufbringung auf der Schicht 11 aus Aluminium, das mit 2% Kupfer legiert ist, durchgeführt, um diese Schicht zu bedecken und die Durchgangsöffnungen in derselben für elektrische Verbindungen mit der integrierten Schaltungsanordnung in und auf dem darunterliegenden Schaltungssubstrat zu füllen. Diese Metallschicht wird in der Regel bis zu einer Dicke von 1.000 Å aufgebracht. Anschließend wird ein Photoresist darüber verteilt, mit Öffnungen in demselben, wo die unerwünschten Abschnitte dieser Metallschicht eliminiert werden sollen, und es wird ein reaktives Ionenätzen durchgeführt, um diese Eliminierung unerwünschter Metallschichtabschnitte zu liefern. Eine Verbindungs- und Trägerstruktur 11', die sich aus dieser Eliminierung ergibt, ist in 1B und 2 gezeigt.
  • Anschließend werden die soeben erwähnten „Sandwich"-Strukturen auf der Verbindungsträgerschicht 11' vorgesehen, wobei jede der ferromagnetischen Dünnfilmschichten und die Zwischenschicht zumindest anfänglich durch ein Aufsputtern als Basis zum Bilden einer magnetoresistiven Speicherzelle bereitgestellt werden. Diese Mehrschichtstruktur weist einen wirksamen spezifischen Vertikalrichtung-Widerstand auf, die auf dem Tunnelungsstrom des elektrodynamischen Quanteneffekts basiert, der dieselbe durchläuft und der im Bereich von 0,01 bis 10.000 MΩ-μm2 liegen könnte, und zwar aufgrund der extremen Empfindlichkeit dieses wirksamen spezifischen Widerstands bezüglich der Dicke der Sperrschicht. Zusätzlich weist die Struktur in der Regel eine effektive Kapazität und ein magnetisch gesteuertes Tunneleffektansprechverhalten, das 20% zwischen dem minimalen Wirkwiderstandswert und dem maximalen Wirkwiderstandswert, der unter einer derartigen Steuerung erreichbar ist, übersteigt.
  • Bei dieser Struktur ist die erste Schicht, die bereitgestellt wird, eine zusammengesetzte ferromagnetische Dünnfilmschicht, die auf die Verbindung 11' und den Träger aufgesputtert wird, mit dem in 2 gezeigten Ergebnis. Eine erste Lage 12 dieser zusammengesetzten ferromagnetischen Dünnfilmschicht ist aus einer Legierung aus 65% Nickel, 15% Eisen und 20% Kobalt, die bis zu einer Dicke von 40 Å aufgebracht ist und eine magnetische Sättigungsinduktion von in der Regel etwa 10.000 Gauss aufweist, gebildet, und dieser Prozeß führt dazu, daß der aufgebrachte Film eine flächenzentrierte Würfelstruktur aufweist. Die Aufbringung dieser Schicht findet in der Gegenwart eines externen Magnetfelds in der Ebene des Films statt, die entlang einer Richtung orientiert ist, die zu der erweiterten Richtung der Verbindung 11' und des Trägers in 1B parallel ist. Dieses Herstellungsmagnetfeld beläßt die Achse der leichten Magnetisierbarkeit des Films auf ähnliche Weise ausgerichtet. Alternativ dazu kann das Aufbringungsfeld unter einem Winkel bezüglich der erweiterten Richtung der Verbindung 11' und des Trägers vorgesehen sein, um eine Vorspannungsdrehung der Schichtmagnetisierung zu liefern, um ein Umschalten der Richtung dieser Magnetisierung zu erleichtern.
  • Eine zweite Lage 13 wird ebenfalls in einem Aufsputterschritt in der Gegenwart eines Herstellungsmagnetfeldes bereitgestellt. Die zweite Lage 13 ist aus 5% Eisen und 95% Kobalt bis zu einer Dicke von 15 Å gebildet, was dazu führt, daß dieses Material eine magnetische Sättigungsinduktion von etwa 16.000 Gauss aufweist, was ein höherer Wert ist als der der magnetischen Sättigungsinduktion der ersten Lage 12. Dieses Material einer höheren Sättigung wird benachbart zu der Zwischen- oder Sperrschicht, die die nächste zu bildende Schicht ist, bereitgestellt, um dadurch einen größeren magnetisch gesteuerten Tunneleffekt zu erhalten, der geringere Sättigungswert in der Lage 12 wird jedoch bereitgestellt, um den zusammengesetzten Film sensibler gegenüber kleineren Feldern zu halten, als er es in dessen Abwesenheit wäre. Diese zusammengesetzte Schicht ist in 1B mit 12, 13 bezeichnet.
  • Danach wird durch ein Aufsputtern und eine Oxidierung auf die Schicht 13 eine Zwischen- oder Sperrschicht 14 bereitgestellt, wobei diese Zwischenschicht ein Dielektrikum ist. Die Schicht 14 wird in der Regel durch ein Aufsputtern von 12 Å Aluminium auf die Schicht 13 und durch ein weiteres Bereitstellen von weiteren Angström dieses Materials unter Verwendung des Aluminiumsputterziels, aber auch unter Einbringung von Sauerstoff in die Sputterkammer begonnen. Die Folge ist die, die bereits aufgebrachte Aluminiumschicht im wesentlichen in ein Aluminiumoxid umzuwandeln, das seine Dicke um einen Faktor von etwa 1,3 erweitert, und weitere zwei Angström an Aluminiumoxid dazu hinzuzufügen, was eine Zwischenschicht- oder Sperrschichtdicke von etwa 17,5 Å ergibt, wobei die Schicht vorwiegend aus Aluminiumoxid gebildet ist. Jeglicher Abschnitt des zuvor aufgebrachten Aluminiummetalls, der bei diesem Prozeß nicht oxidiert wird, führt zu einer sehr dünnen Schicht dieses Aluminiums auf und zwischen der ferromagnetischen Schicht 12, 13 und der dielektrischen Sperrschicht aus Aluminiumoxid, was vorteilhaft sein kann.
  • Der Bereitstellung der Schicht 14 folgt ein Bereitstellen einer zweiten zusammengesetzten ferromagnetischen Dünnfilmschicht, die auf der Schicht 14 vorgesehen ist, und ihre Struktur stimmt mit der der ersten zusammengesetzten ferromagnetischen Schicht, die die Lagen 12 und 13 aufweist, überein, mit Ausnahme dessen, daß sie dünner ist und daß ihre Lagenreihenfolge aufgrund der Verwendung von im wesentlichen derselben Aufbringschritte umgekehrt ist. Folglich ist die Lage, die die größere magnetische Sättigungsinduktion aufweist, in der zweiten zusammengesetzten Schicht wiederum zu der Schicht 14 benachbart, und die Lage mit der geringeren magnetischen Sättigungsinduktion ist auf derselben vorgesehen, jedoch mit einer Dicke von lediglich 25 Å. Da die Lagen ansonsten dieselben sind, wurden sie in Übereinstimmung mit den Lagen 13 und 12 in 2 als 13' und 12' bezeichnet.
  • Nach einem Fertigstellen dieser „Sandwich"-Struktur wird eine 2.000 Å betragende Schicht aus Tantal oder Tantalnitrid auf die Lage 12' aufgesputtert, um die Lage 12' unter derselben zu passivieren und zu schützen, und um elektrische Verbindungen mit derselben zu Schaltungszwecken zu ermöglichen. Die sich ergebende Schicht 15 ist in 2 in auseinandergezogener Form dargestellt, da sie im Vergleich zu den ferromagnetischen zusammengesetzten Schichten und der nichtmagnetischen Zwischen- oder Sperrschicht eine beträchtlich größere Dicke aufweist.
  • Desgleichen ist auf der Schicht 15 eine weitere Schicht 16 aufgebracht und ist in 2 aufgrund ihrer relativ größeren Dicke von 100 Å in einer auseinandergezogenen Form gezeigt. Die Schicht 15 wird zunächst durch ein Sputtern gereinigt, was etwa 75 Å derselben entfernt. Dann wird die Schicht 16 als eine Chromsiliziumschicht mit 40% Chrom und 60% Silizium auf die gereinigte Schicht 15 aufgesputtert, um als Ätzstopp für das anschließende Ätzen einer Schicht, die als Zerkleinerungsmaske über derselben bereitgestellt werden soll, zu dienen.
  • Das heißt, daß als nächstes eine weitere Schicht aus Siliziumnitrid, die als Zerkleinerungsmaske verwendet werden soll, bis zu einer Tiefe von 1.000 Å auf die Schicht 16 aufgesputtert wird; diese Schicht ist jedoch nicht in 2 gezeigt, da ihre Überreste in eine weitere isolie rende Schicht, die später vorgesehen werden soll, integriert werden. Auf dieser Siliziumnitridmaskenschicht wird ein Photoresist aufgebracht und derart strukturiert, um eine Struktur für eine Ätzmaske zu bilden, die gemäß dieser Struktur gebildet werden soll, indem die Maskenabschnitte der Siliziumnitridschicht nach dem Ätzen unter derselben belassen werden. Diese letzte Maskierungsstruktur in dem Siliziumnitrid soll nach einem Zerkleinern durch dieselbe, um die unter demselben freiliegenden ferromagnetischen und nichtmagnetischen Schichten zu entfernen, dazu führen, daß eine beträchtliche Anzahl von getrennten Bitstrukturen als die Speicherzellen in dem Digitalspeicher, die jeweils einen „Sandwich"-Aufbau aufweisen, dienen. Bei dem strukturierten Photoresist wird ein reaktives Ionenätzen eingesetzt, um die freiliegenden Abschnitte der Siliziumnitridmaskierungsschicht bis hinunter zu der Chromsiliziumschicht 16, die als Ätzstopp dient, zu entfernen. Die verbleibenden Abschnitte der Siliziumnitridschicht, die durch den Photoresist geschützt werden, dienen als die oben erwähnte Zerkleinerungsmaske für den nachfolgenden Ionenzerkleinerungsschritt, der die freiliegenden Abschnitte der Chromsiliziumschicht 16, und anschließend auch die danach freiliegenden Abschnitte der Schicht 15, die danach freiliegenden Abschnitte der zweiten zusammengesetzten ferromagnetischen Dünnfilmschicht, die als Lagen 13' und 12' gebildet sind, die anschließend freiliegenden Abschnitte der nichtmagnetischen Zwischenschicht 14' und schließlich die folglich freiliegenden Abschnitte der ersten zusammengesetzten ferromagnetischen Dünnfilmschicht, die als Lagen 13 und 12 gebildet sind, bis hinunter zu der Verbindung 11' und dem Träger entfernt.
  • Ein Abschnitt einer der sich ergebenden Speicherzellen 17 aus der 1A ist in 2 gezeigt, wie oben angegeben, und weist Gegenstücke desselben auf, die in 1B (wo sie wiederum durch das Bezugszeichen 17 bezeichnet sind) gezeigt sind, wobei lediglich einige der Schichten in jeder derartigen Zelle in dieser letztgenannten Figur so deutlich dargestellt sind. Die gesamte Mehrschichtstruktur, die in 2 mit den einzelnen Lagen in den zusammengesetzten ferromagnetischen Schichten gezeigt ist, ist aufgrund des in 1B verwendeten größeren Maßstabs in 1B nicht auf diese Weise gezeigt. Manche dieser Speicherzellen sind auch in der Draufsicht der 1A zu sehen, und jede der derartigen Strukturen ist in dieser Figur auch mit dem Bezugszeichen 17 versehen. Die Achsen der leichten Magnetisierbarkeit der ferromagnetischen zusammengesetzten Dünnfilmschichten in jeder der Speicherzellen 17 sind parallel zu der Richtung der längsten Ausdehnung dieser Strukturen. Jede Speicherzelle 17 ist in dieser Draufsicht mit einem rechteckigen mittigen Abschnitt gebildet, der sich zu rechteckigen Abschnitten fortsetzt, die sich von gegenüberliegenden Enden des rechteckigen Abschnitts entlang der Achse der leichten Magnetisierbarkeit weg verjüngen, um die Enden der Zelle zu bilden.
  • Anschließend an die Fertigstellung der Speicherzellen- oder Bitstruktur 17 wird eine weitere Schicht aus Siliziumnitrid über diesen Strukturen und den freiliegenden Abschnitten der Verbindung 11' und des Trägers bis zu einer Dicke von 7.500 Å aufgebracht, um eine isolierende Schicht 19 zu bilden. Über der isolierenden Schicht 19 wird ein Photoresist als eine Ätzmaske bereitgestellt, um Durchgangsöffnungen durch dieselbe und durch die Siliziumnitridschicht 11 und durch entsprechende von isolierenden Schichten in der integrierten Schaltung 10 bereitzustellen.
  • Auf der auf diese Weise hergestellten isolierenden Schicht 19 wird eine weitere Metallaufbringung durchgeführt, wiederum aus Aluminium, das mit 2% Kupfer legiert ist, um diese Schicht zu bedecken und die Durchgangsöffnungen in derselben und in der Siliziumnitridschicht 11 und den isolierenden Schichten in der integrierten Schaltung 10 zu füllen. Diese Metallschicht wird in der Regel bis zu einer Dicke von 1.000 Å aufgebracht. Es wird ein Photoresist darüber verteilt, mit Öffnungen in demselben, wo die uner wünschten Abschnitte dieser Metallschicht eliminiert werden sollen, und es wird ein reaktives Ionenätzen durchgeführt, um diese Eliminierung unerwünschter Metallschichtabschnitte zu liefern. Die Strukturen, die sich aus dieser Eliminierung ergeben, sind in 1B und in 1A als eine Mehrzahl von oberen Verbindungen 20 zum Verbinden der Speicherzellenstruktur 17 parallel zueinander in Verbindung mit der Verbindung 11' und dem Träger gezeigt. Infolge der Durchgangsöffnungen in der Siliziumnitridschicht 11 sind die oberen Verbindungen 20 ebenfalls mit einer elektronischen Schaltungsanordnung in den integrierten Schaltungen in dem darunterliegenden Halbleitersubstrat 10 verbunden.
  • Der Fertigstellung der oberen Verbindungsstrukturen 20 folgt ein Aufbringen einer weiteren Schicht von in der Regel 7.500 Å Siliziumnitrid über denselben und über den freiliegenden Abschnitten der Siliziumnitridschicht 20, um eine weitere isolierende Schicht 21 zu bilden. Über der isolierenden Schicht 21 wird ein Photoresist als eine Ätzmaske bereitgestellt, um Durchgangsöffnungen durch dieselbe und durch die Siliziumnitridschichten 19 und 11 sowie durch entsprechende der isolierenden Schichten in der integrierten Schaltung 10 bereitzustellen.
  • Auf der auf diese Weise hergestellten isolierenden Schicht 21 wird eine weitere Metallaufbringung durchgeführt, wiederum aus Aluminium, das mit 2% Kupfer legiert ist, um diese Schicht zu bedecken und die Öffnungen in derselben und in den Siliziumnitridschichten 19 und 11 sowie den isolierenden Schichten in der integrierten Schaltung 10 zu füllen. Diese Metallschicht wird in der Regel bis zu einer Dicke von 3.500 Å aufgebracht. Es wird ein Photoresist darüber verteilt, mit Öffnungen in demselben, wo die unerwünschten Abschnitte dieser Metallschicht eliminiert werden sollen, und es wird ein reaktives Ionenätzen durchgeführt, um diese Eliminierung unerwünschter Metallschichtabschnitte zu liefern. Die Strukturen, die sich aus dieser Eliminierung ergeben, sind in 1B und in 1A als eine Mehrzahl von Wortleitungen 22 für den Speicher, die jeweils über die isolierende Schicht 21 positioniert sind, von oberen Verbindungsstrukturen 20 und der isolierenden Schicht 19 von entsprechenden Speicherzellenstrukturen 17, die auf der Verbindung 11' und dem Träger getragen werden und mit derselben verbunden sind, gezeigt. Infolge der Durchgangsöffnungen sind diese Wortleitungen ebenfalls mit einer elektronischen Schaltungsanordnung in den integrierten Schaltungen in dem darunterliegenden Halbleitersubstrat 10 verbunden. Eine weitere Isolatorschicht 23 wird durch Aufsputtern von 7.500 Å Siliziumnitrid über Wortleitungen 22 und den freiliegenden Abschnitten des Isolators 21 bereitgestellt. Der Isolator 23 dient als Passivierungs- und Schutzschicht für die darunterliegende Bauelementstruktur. Die Schicht 23 ist in 1B zu sehen, ist jedoch nicht in 1A gezeigt, um diese Figur nicht undeutlich zu machen.
  • Eine Speicherzelle oder Bitstruktur 17 der beschriebenen Struktur, die sich aus dem soeben beschriebenen Prozeß zum Herstellen derselben ergibt, weist eine relativ lineare Änderung des durch dieselbe fließenden „Tunnel"-Stroms von einer ferromagnetischen Schicht zu der anderen des elektrodynamischen Quanteneffekts bezüglich der über der Zelle, d. h. zwischen diesen ferromagnetischen Schichten, vorgesehenen Spannung auf, für relativ niedrigere Spannungen, jedoch erhöht sich die Stromgröße für höhere Werte einer Spannung über die Zelle mehr als linear. Während die Spannung über der Zelle ansteigt, verringert sich die teilweise Änderung des „Tunnel"-Stroms durch die Zelle für die ferromagnetischen Schichten, die Magnetisierungen aufweisen, die sich von parallel zu antiparallel zueinander ändern, auf die halbe Größe bei mehreren Hundert Millivolt über der Zelle, wie dies in der Situation mit hundert oder weniger Millivolt über die Zelle auftritt, so daß diese teilweise Änderung mit einer Zellspannung von einigen wenigen Prozent bis 20% oder mehr rangiert. Die teilweise Änderung des Widerstands der Zelle für die ferromagnetischen Schichten, deren Magnetisierungen sich von parallel zu antiparallel zueinander ändern, erhöht sich um etwa das Anderthalbfache der Raumtemperaturwerte, wenn die Zelle auf 77°K abgekühlt wird, der „Tunnel"-Strom durch die Zelle erhöht sich jedoch lediglich um etwa 10% bis 20%, was darauf hinweist, daß der wirksame spezifische Widerstand der Zelle in bezug auf Temperatur relativ unempfindlich ist (etwa 500 bis 1.000 ppm/°C).
  • Der wirksame spezifische Widerstand einer Zelle 17 wird durch die Größe des „Tunnel"-Stroms durch die Zelle eingestellt, der durch die Sperrschicht 14 für die Spannung über die Zelle erlaubt ist. Die hohe Sensitivität des „Tunnel"-Stroms bezüglich der Dicke der Sperrschicht führt zu einer großen Bandbreite von spezifischen Zellwiderständen, von denen man beobachtet hat, daß sie zwischen 0,01 und 1.000 MΩ-μm2 liegen. Andererseits scheint die Sperrschicht 14 eine relativ geringe magnetische Kopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten über dieselben zu erlauben, wobei die Kopplungsfelder in der Regel lediglich einige wenige Oe betragen.
  • In 3A und 3B ist eine mögliche Alternative einer strukturellen Anordnung zu der in 1 gezeigten dargestellt. Bei dieser Alternative sind die Wortleitungen, die nun mit 22' bezeichnet werden, direkt auf der Siliziumnitridschicht 11 mit einer isolierenden Schicht, die nun mit 23' bezeichnet ist und die über derselben aufgebracht ist, um das tragende Substrat für die Verbindung 11' und den Träger und die Speicherzellen 17 zu liefern, aufgebracht. Die Speicherzellen sind wiederum unter Verwendung der Verbindung 11' und des Trägers auf der unteren Seite derselben und der oberen Verbindung 20 auf der oberen Seite derselben parallelgeschaltet, um die Verbindungen mit Speicherzellen 17, falls sie zwischen denselben parallelgeschaltet sind, zu liefern. Die isolierende Schicht 21 wird nun die Schutz- und Passierungsschicht für das Bauelement. Eine weitere, nicht gezeigte, Alternative bestünde darin, Wortleitungen über und unter Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 unter einem gewissen Winkel in bezug aufeinander, in der Regel unter rechten Winkeln, bereitzustellen, um Magnetfelder zu liefern, um die entsprechende Zelle, die zwischen jeder Überkreuzung derartiger Wortleitungen vorgesehen ist, zu beeinflussen, so daß ein Strom für diesen Zweck nicht in der Verbindung 11' und dem Träger geführt werden muß.
  • Die soeben beschriebenen Herstellungsschritte werden selbstverständlich auf Halbleitermaterialwafer angewandt, die viele Integrierte-Schaltung-Chips in denselben aufweisen, um als Speichersubstrate zu dienen, so daß viele derartige Digitalspeicher gleichzeitig in und auf solchen Wafern hergestellt werden können. Nachdem alle Speicherzellenstrukturen 17 auf jedem Chipsubstrat hergestellt wurden, zusammen mit allen zugeordneten Verbindungsstrukturen und Wortleitungsstrukturen, wie sie durch die abschließende isolierende Schicht geschützt werden, sind die Wafer dann bereit für ein Wafertesten, für das Trennen der einzelnen Bauelemente in getrennte Chips und das Unterbringen derselben in „Gehäusen".
  • Die Draufsicht der Formen der Bitstrukturen 17, d. h. die einen rechteckigen mittigen Abschnitt aufweisen, der sich an gegenüberliegenden Enden derselben zu dreieckigen Endabschnitten verjüngt, sind nicht die einzigen Draufsichtgeometrieform, die verwendet werden können. Eine Alternative bestünde darin, eine Speicherzellenstruktur 17 mit einer Draufsichtgeometrie zu bilden, die einem Parallelogramm folgt. Es kann auch andere alternative Draufsichtformen für Speicherzellenstrukturen 17 geben, die die Packungsdichte dieser Strukturen auf einem Integrierte-Schaltung-Chipsubstrat verbessern können.
  • Eine Darstellung eines Paars von typischen Magnetowiderstandscharakteristika einer Speicherzelle oder Bitstruktur 17 gegenüber externen Magnetfeldern, die entlang ihrer Länge, d. h. entlang ihrer Achse der leichten Magnetisierbarkeit, angelegt sind, ist in 4 für ein einzelnes Bitstrukturbeispiel einer relativ größeren Größe, statt für eine kleinere Struktur, die aus einer parallelen Folge derselben genommen ist, als ein leichter verständliches Beispiel gezeigt. Ein feststehender Quanteneffekt-Tunnelstrom von 2,0 μA wird als der Betriebsstrom durch das Bauelement zwischen der oberen Verbindung und der unteren Verbindung mit dieses Bauelements verwendet. Dieser bekannte Strom liefert zusammen mit der über der Zelle gemessenen Spannung den Widerstand dieser Zelle.
  • Die Charakteristik 30, die die Spitze auf der linken Seite in 4 aufweist, macht eine Entwicklung durch, bei der sie anfangs ein zu der Achse der leichten Magnetisierbarkeit paralleles, ausreichend großes Magnetfeld (in der Graphik als ein positives Feld gezeigt) aufweist, das über einen Strom in der benachbarten Wortleitung 22 und über die Verbindung 11' und den Träger angelegt ist, um die Magnetisierungen jedes der ferromagnetischen Dünnfilme 12, 13 und 13', 12' in der Speicherzelle oder Bitstruktur 17 zu zwingen, in der Richtung des Feldes ausgerichtet zu sein. Diese Magnetisierungen sind somit parallel zueinander und zeigen in eine anfängliche gemeinsame Richtung, um dadurch den elektrischen Widerstand der Zelle auf einem Minimum (hier etwa 31 kΩ) zu belassen.
  • Dieser anfänglichen Bedingung folgt ein kontinuierliches Verringern dieses Feldes hin zu Null und ein anschließendes Umkehren der Feldrichtung, wonach die Größe des Feldes kontinuierlich erhöht wird (in der Graphik als negatives Feld gezeigt). Wie in der Graphik zu sehen ist, beginnt dieser Vorgang, den Widerstand der Zelle zu erhöhen, während die Magnetisierung der dünneren Schicht 13', 12' in einem größeren Ausmaß als die Magnetisierung der dickeren Schicht 12, 13 zu der entgegengesetzten Richtung hin zu drehen beginnt. Dieser Unterschied tritt aufgrund der Formanisotropie auf, die, während die Struktur 17 ausrei chend klein wird, die Materialanisotropie dominiert, die durch eine Aufbringung der ferromagnetischen Schichten derselben in einem Magnetfeld oder durch eine Schichtmaterialwahl oder beides induziert wird.
  • Folglich beginnen diese Magnetisierungen immer stärker voneinander weg gerichtet zu werden, während das Feld zunehmend negativ wird, wodurch der Zellwiderstand erhöht wird, bis die Magnetisierung der dünneren Schicht knapp über 90° von der Achse der leichten Magnetisierbarkeit gedreht wird, woraufhin sie abrupt (bei etwa –10 Oe) dazu umschaltet, im wesentlichen in die zu der der dickeren Schicht entgegengesetzte Richtung gerichtet zu werden, während sie versucht, sich mit den Feldern, die durch die Wortleitungs- und Verbindungsleitungsströme bereitgestellt werden, auszurichten. An diesem Punkt erhöht sich entsprechend der Widerstandswert abrupt bis auf den gezeigten Spitzenwert von etwa 37 kΩ. Der Umschaltfeldschwellwert wird durch die Bitbreite und das magnetische Nettomoment der ferromagnetischen Schicht eingestellt, das wiederum durch die Größe der Sättigungsmagnetisierung und das Volumen dieser Schicht eingestellt wird. Da das Volumen und somit das Moment durch ein Auswählen einer geeigneten und unterschiedlichen Schichtdicke bezüglich der der anderen Schicht gewählt werden können, um eine Formanisotropie bereitzustellen, können diese ferromagnetischen Schichten, auch wenn sie ansonsten identisch sind, unterschiedliche Umschaltschwellwerte aufweisen.
  • Da Speicherzellen 17 ausreichend klein hergestellt werden, so daß man sie als Speicherzellen betrachtet, bei denen die in denselben verwendeten ferromagnetischen zusammengesetzten Schichtdünnfilme Strukturen einzelner magnetischer Domänen sind, wird die kritische Magnetfeldgröße (–10 Oe) bzw. Schwelle für die dünnere Schicht, an der ein derartiges Umschalten stattfindet (eine Schwelle, die zum großen Teil wie die bekannte Stoner-Wohlfarth-Schwelle gefunden wird, die für Filme mit größeren Flächen definiert ist, die keinen Austauschkopplungs- und Randeffekten unterworfen sind), aus Überlegungen in bezug auf Schichtmagnetenergie bestimmt, die die Größe der Magnetfelder umfassen, die durch den Verbindungsstrukturstrom eingerichtet werden, zusätzlich zu denen, die durch den Wortleitungsstrom eingerichtet werden. (Das Feld, das auf den Betriebsstrom über die Zwischenschicht zurückzuführen ist, kann vernachlässigt werden, da dieser Strom so relativ klein ist.) Weitere Erhöhungen der Größe des negativen Feldes bewirken jedoch nicht, daß die Magnetisierung der dickeren Schicht dazu umgeschaltet wird, an der erwarteten Stoner-Wohlfarth-Schwelle hierfür in die entgegengesetzte Richtung gerichtet zu werden, da das vorherige Umschalten der Magnetisierungsrichtung der dünneren Schicht das Umschalten der Magnetisierung der dickeren Schicht hemmt. Die Änderung der Richtung des Magnetfeldes, die in der dickeren Schicht aufgrund der Magnetisierung der mit derselben gekoppelten dünneren Schicht auftritt, wirkt, da zuvor richtungsmäßig umgeschaltet wurde, dem Umschalten der Magnetisierung der dickeren Schicht entgegen, um ihre Umschaltschwelle effektiv zu erhöhen.
  • Die Größe des Magnetfeldes in der dickeren Schicht aufgrund der Magnetisierung der dünneren Schicht (und umgekehrt) hängt von den Entmagnetisierungsfeldern in diesen Schichten ab, wodurch durch ein Auswählen der Größe des Verbindungsstrukturstroms und der Speicherzellengeometrie, um einen geeigneten Entmagnetisierungsfaktorwert zu erreichen, das Einstellen des Grades der Umschalthemmung ermöglicht wird. Das heißt, daß die Breite der Spitze der Charakteristik 30 durch den Zellentwurf bei Betriebsbedingungen effektiv eingestellt werden kann. Nachdem dieser erhöhte Größenschwellwert (etwa –70 Oe) für die dickere Schicht durch die Größe des angelegten Feldes überschritten wird, um seine Magnetisierungsrichtung über 90° von der Achse der leichten Magnetisierbarkeit hinaus zu treiben, schaltet die Magnetisierung dieser Schicht ebenfalls um, um dazu zu führen, daß die Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Dünnfilm schichten wiederum in einer gemeinsamen Richtung (auch wenn sie zu der anfänglichen Richtung entgegengesetzt ist) ausgerichtet sind, um dadurch den Widerstandswert von dem Spitzenwert von etwa 37 kΩ auf den relativ geringeren Wert von wiederum etwa 31 kΩ drastisch zu verringern. Weitere Erhöhungen der Größe des negativen Feldes ändern den Widerstandswert nicht weiter beträchtlich, während die Magnetisierungsrichtungen in jeder Schicht immer etwas näher an eine gemeinsame Richtung gebracht werden. Da die Richtung der Magnetisierung der dickeren Schicht 12, 13 lediglich durch Felder umgeschaltet werden kann, die größere Größen aufweisen als diejenigen, die die Magnetisierungsrichtung der dünneren Schicht 13', 12' umschalten, bestimmt die Magnetisierungsrichtung der dickeren Schicht 12, 13 effektiv den Binärwert „0" oder „1" der in der Zelle gespeicherten Datenbits.
  • Daher ist ein Überqueren dieses großen Abschnitts der in 4 gezeigten Charakteristik 30 durch ein Ändern des extern angelegten Magnetfeldes aufgrund eines Wortleitungsstroms von einer relativ großen positiven Größe zu einer relativ großen negativen Größe in der Gegenwart eines ausreichenden Verbindungsstrukturstroms äquivalent zu einem Ändern des magnetischen Zustands beider Schichten von einem Zustand, in dem sie in eine Richtung zeigen, zu einem Zustand, in dem sie in die entgegengesetzte Richtung zeigen, d. h. zu einem Speichern eines neuen Datenbits durch ein Ändern der zuvor darin gespeicherten Datenbits auf der Basis der Richtung der Magnetisierung von ihrer anfänglichen Richtung und ihrem binären Wert zu einer anderen Richtung und einem anderen Wert. Falls der anfänglich gespeicherte Datenbitwert derselbe war wie der neue zu speichernde Wert, bewirkt die entsprechende Erhöhung der Größe des extern angelegten Feldes in der entgegengesetzten Richtung, um dieses neue Datenbit zu speichern, d. h. das Erhöhen des Feldes in einer positiven Richtung statt in der negativen Richtung, wie oben beschrieben wurde, nicht ein Überqueren der Spitze der Charakteristik 30, wodurch die Richtung der Schichtmagnetisierung und der Datenbitwert unverändert belassen werden.
  • Die verbleibende Charakteristik 31 in 4 entwickelt sich ebenso wie dies bei der Charakteristik 30 der Fall war, wenn sie dort begonnen wird, wo die Entwicklung der Charakteristik 30 endete, wie oben beschrieben wurde, das heißt durch ein Anlegen eines positiv zunehmenden Magnetfeldes in der Gegenwart einer Feldgröße auf der Basis eines ausreichenden Verbindungsstrukturstroms nach dem Auftreten eines negativen Feldes einer großen Größe (bzw. eines großen Betrags). Wiederum tritt die Spitze in dem Zellwiderstand bei dieser Charakteristik dadurch auf, daß zunächst eine Schwelle wie eine oder ähnlich einer Stoner-Wohlfarth-Schwelle zum Umschalten der dünneren ferromagnetischen Schicht 13', 12' (etwa 8 Oe) angetroffen wird, um den Zellwiderstand von wiederum etwa 31 kΩ auf etwa 37 kΩ zu erhöhen, und daß danach der erhöhte Größenschwellwert für ein Umschalten der dickeren Schicht 12, 13 (etwa 58 Oe) angetroffen wird, um den Zellwiderstand wieder zurück auf etwa 31 kΩ zu verringern. Somit erfordert ein Speichern eines Datenbits von entweder einem Binärwert von „0" oder „1" in einer Speicherzelle 17, die die in 4 gezeigten Charakteristika aufweist, durch die Ausrichtungsrichtung der Magnetisierung der dickeren Schicht 12, 13 entlang ihrer Achse der leichten Magnetisierbarkeit in dem soeben beschriebenen Schema dargestellt, die Anlegung eines Wortleitungsfeldes einer ausreichenden Größe in der entsprechenden Richtung entlang dieser Achse in der Gegenwart eines Verbindungs- und Trägerstrukturfeldes einer ausreichenden Größe.
  • Ein Wiedergewinnen der gespeicherten Daten, ohne den Wert dieser Daten zu stören, wird ohne weiteres in einer Speicherzelle oder Bitstruktur 17 durchgeführt, die die Charakteristika 30 und 31 aufweist, wobei die Aktuelle dieser Charakteristika, der der Zellwiderstand auf ein Anlegen von Feldern auf der Basis eines Verbindungsträgerstroms und Wortleitungsstroms folgt, durch die Ausrichtungsrichtung des letzten externen Feldes bestimmt wurde, das an die Zelle angelegt wurde und das ausreichend groß ist, um die Magnetisierungen beider ferromagnetischen Dünnfilmschichten der Zelle in der Gegenwart des gewählten Verbindungs- und Trägerleitungsstroms umzuschalten. Ein begrenztes extern angelegtes Feld, wobei der Grenzwert durch ein Begrenzen des entsprechenden Wortleitungsstroms und möglicherweise des Verbindungs- und Trägerleitungsstroms in der Gegenwart des gewählten Verbindungs- und Trägerleitungsstroms auferlegt wurde, wird anfänglich bereitgestellt, das einen Wert aufweist, der in der Lage ist, den Widerstand der Zelle an einem seiner Spitzenwerte entweder in der Charakteristik 30 oder in der Charakteristik 31 zu plazieren, und die Zellstrukturspannungsmeßschaltungsanordnung kann gleichzeitig einer „automatischen Nullpunkteinstellung" unterzogen werden, um dadurch unter diesen Bedingungen einen Nullwert zu messen.
  • Eine derartige Schaltungsanordnung und Verarbeitung einer „automatischen Nullpunkteinstellung" muß nicht für eine einzelne Zelle verwendet werden, und zwar aufgrund der durch dieselbe bzw. dasselbe bereitgestellten relativ großen Signaländerung; die Verwendung mehrerer derartiger Zellen parallel zueinander in der Schaltung, an die die Spannungsmeßschaltungsanordnung angelegt wird, verringert jedoch das Ausgangssignal einer Zelle aufgrund der parallelen Leitungswege auf einen Wert, der ausreichend gering ist, um eine „automatische Nullpunkteinstellung" zu erfordern, wenn die einzelnen Zellen in dieser Schaltung nicht voneinander elektrisch isoliert sind, beispielsweise durch Verwendung einer Umschaltanordnung oder einer anderen elektrischen Isolierungseinrichtung. Selbstverständlich kann die Fähigkeit, das Erfordernis, einen Schritt einer „automatischen Nullpunkteinstellung" durchzuführen, überflüssig zu machen, und die Schaltungsanordnung hierfür zu eliminieren, die Informationswiedergewinnungsrate in der Speicherzellenschaltung beträchtlich erhöhen sowie eine Erhöhung der Dichte derselben in einem Chip einer monolithischen integrierten Schaltung ermöglichen. Dieses anfängliche Feld ist bezüglich seiner Größe begrenzt, um nicht in der Lage zu sein, die Magnetisierungsrichtung der dickeren Schicht 12, 13 in der Gegenwart einer gewählten Größe eines Verbindungs- und Trägerleitungsstroms umzuschalten.
  • Um ein Wiedergewinnen der gespeicherten Zelleninformationen abzuschließen, wird das extern angelegte begrenzte Feld anschließend von seiner anfänglichen Richtung zu einem letztendlichen begrenzten Wert in der entgegengesetzten Richtung umgekehrt, der in der Lage ist, den Widerstand der Zelle an seiner anderen Charakteristikwiderstandsspitze zu plazieren, jedoch nicht in der Lage ist, die Magnetisierungsrichtung der dickeren Schicht 12, 13 in der Gegenwart der gewählten Größe des Verbindungs- und Trägerleitungsstroms umzuschalten. Falls sich der Zellwiderstand tatsächlich bei einer Widerstandsspitze befindet, bei einem anfänglichen Folgen einer der Charakteristika 30 oder 31 aufgrund der Richtung des letzten zuvor angelegten Feldes auf der Basis eines Wortleitungsstroms, das eine ausreichende Größe aufweist, um Magnetisierungen beider ferromagnetischen Schichten umzuschalten, verringert sich der Widerstand nach der Feldumkehrung, während die Magnetisierung der dünneren Schicht umschaltet, um in dieselbe Richtung wie die Richtung der Magnetisierung der dickeren Schicht ausgerichtet zu sein. Falls der Zellwiderstand statt dessen den anderen Charakteristika folgt, so daß er anfänglich einen relativ geringen Widerstand aufweist, erhöht sich der Widerstand nach der Feldumkehrung, während die Magnetisierung der dünneren Schicht umgeschaltet wird, um in die Richtung ausgerichtet zu sein, die zu der Magnetisierungsrichtung der dickeren Schicht entgegengesetzt ist.
  • Somit gibt die Widerstandsänderung an der Umkehr von einem Feld, das in einer Richtung einer Größe ausgerichtet ist, die an einer Widerstandscharakteristikspitze begrenzt ist, zu einem begrenzten Feld, das in der entgegengesetzten Richtung ausgerichtet ist, an, welcher der Charakteristika 30 und 31 die Zelle folgte, und gibt deshalb an, in welche Richtung das letzte ausreichend große extern angelegte Magnetfeld ausgerichtet war, um dadurch den binären Wert des dadurch dargestellten Datenbits anzugeben. Die Änderung des Widerstandswerts, ΔR, ist gleich der vollständigen Änderung des Widerstands zwischen dem Spitzenwiderstandswert, der die Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichten, die einander richtungsmäßig entgegengesetzt sind, darstellt, und dem relativ geringen Widerstandswert, der die Schichtmagnetisierungen darstellt, die in zueinander gleichen Richtungen ausgerichtet sind. Dieser Wiedergewinnungsprozeß liefert eine Angabe eines bipolaren Ausgangs, da eine Erhöhung dieser Größe auf einen gespeicherten Datenbitwert hinweist, und eine Verringerung auf den entgegengesetzten gespeicherten Datenbitwert hinweist. Somit ist der Unterschied zwischen der Magnetzustandsangabe, die durch einen Anstieg des Widerstands, +ΔR, dargestellt wird, und der Magnetzustandsangabe, die durch eine Verringerung des Widerstands, –ΔR, dargestellt wird, +ΔR – (–ΔR) = 2ΔR, oder das Doppelte des Widerstandsänderungswerts, um der Spannungsmeßschaltungsanordnung über die Zellstruktur ein ohne weiteres erfaßbares Zustandsdifferenzierungsausgangssignal zu geben, um von ihrem einer „automatischen Nullpunkteinstellung" unterzogenen anfänglichen Meßpunkt zu messen.
  • Die Geschwindigkeit, mit der eine derartige Binärdatenwiedergewinnungsoperation in einer derartigen Speicherzelle oder Bitstruktur 17 durchgeführt werden kann, wird anfänglich durch die Anstiegszeit der Ströme in der Verbindung 11' und dem Träger und in der Wortleitung 22 sowie durch die Zeit, die erforderlich ist, um die Magnetisierungsvektoren in den ferromagnetischen Schichten ansprechend auf einen derartigen Strom zu drehen, begrenzt. Jedoch kann eine derartige minimale Datenwiedergewinnungszeitbegrenzung der Dauer, die erforderlich ist, um die Daten wiederzuge winnen, ferner durch die Ansprechzeit der Speicherzelle oder Bitstruktur 17 aufgrund der kapazitiven Beschaffenheit dieser Zelle verlängert werden, die ein Paar von ferromagnetischen Leitern auf beiden Seiten einer dielektrischen Schicht aufweist, die eine effektive Kapazität ergeben. Ein wichtiger Parameter für die Speicherzelle oder Bitstruktur 17 ist die intrinsische Widerstands-Kapazitäts-Zeitkonstante des Bauelements, die darauf zurückzuführen ist, daß diese Sperrschicht 14 darin aus dem Herstellungsprozeß der Zelle resultiert. Die Zellkapazität C kann für die Zelle ungefähr aus C = 8, 85·10–1·8·10–6 A/s ermittelt werden, wobei A die Fläche in Quadratmikrometern ist und s die Dicke des Aluminiumoxidabschnitts der Sperrschicht 14 in Mikrometern ist, und wobei eine Dielektrizitätskonstante von 8 als der Wert genommen wurde, der für das Aluminiumoxid der Sperrschicht 14 geeignet ist. Wie oben angegeben wurde, liegt für relativ niedrige Spannungen über die Zelle (100 mV oder weniger) der Wirkwiderstand durch die Zelle, R, in der Regel in der Größenordnung von 109 bis 109 Ω. Der Widerstand dieses Abschnitts der Sperrschicht kann durch
    Figure 00360001
    angenähert werden, wobei k1 und k2 Konstanten sind, die das Sperrschichtmaterial charakterisieren, und s wiederum die Dicke dieser Schicht in Mikrometern ist. Folglich ist die Widerstands-Kapazitäts-Zeitkonstante, die das Produkt von R und C ist, somit exponentiell abhängig von der Dicke s des Aluminiumoxidabschnitts der Sperrschicht 14. Dieses Zeitkonstantenprodukt kann verringert werden, indem die Dicke des Aluminiumoxidabschnitts der Sperrschicht 14 verringert wird, bis k2s viel kleiner ist als 1, oder bis in der Praxis Schwierigkeiten in bezug auf den Herstellungsprozeß von dünnen Sperrschichten weitere Verringerungen der Dicke desselben verhindern.
  • Eine weitere Verlängerung der Minimalzeit, um Daten von einer Speicherzelle oder Bitstruktur 17 wiederzugewinnen, ist auf die Spannungsmeßschaltungsanordnung über die Zelle zurückzuführen, die einen Erfassungsverstärker beinhaltet, um die Änderung der Ausgangsspannung dieser Zelle zu erfassen, wenn die Magnetisierungen der ferromagnetischen Schicht von einem Zustand, in dem sie zueinander parallel sind, zu einem Zustand, in dem sie antiparallel sind, geändert werden. Ein derartiger Erfassungsverstärker weist einen Eingangswiderstand Ra auf, der in der Regel gleich den kombinierten Wirkwiderständen der mit demselben verbundenen Zellen ist, um ungefähr den maximalen Energietransfer von der Zelle zu dem Verstärker zu liefern.
  • Falls eine einzelne Zelle 17 durch eine Stromquelle betrieben wird, die einen Stromwert von I durch dieselbe liefert, erhöht sich die Spannung über die Zelle von I/Gmax auf einen Wert von I/(Gmax – ΔG), wobei Gmax = 1/Rmin falls eine Informationswiedergewinnungsoperation dazu führt, daß der Zellwiderstand von Rmin zu Rmin + ΔR übergeht . Die Wirkwiderstands-Kapazität-Zeitkonstante der Zelle alleine in einer Informationswiedergewinnungsausgangsschaltung, die einen dazu passenden Eingangswiderstand aufweist, um einen maximalen Energietransfer für diesen Anstieg der Spannung, die die Zellausgangssignalspannung bildet, zu liefern, ist ungefähr gleich C/2G, wobei C die Kapazität der Zelle sowie die Eingangskapazität des Erfassungsverstärkers umfaßt. Alternativ dazu kann man statt dessen wählen, daß die Verstärkereingangsimpedanz das erzeugte Rauschen minimiert, statt den Leistungstransfer zu maximieren und folglich die Zeitkonstante um ganze zwei zu erhöhen.
  • Falls der Aluminiumoxidabschnitt der Sperrschicht 14 eine Dicke von 2 nm aufweist, um einen Wert für C von etwa 0,035 pF (wobei die Eingangskapazität des Erfassungsver stärkers ignoriert wird) aus dem obigen Ausdruck hierfür zu ergeben, und falls die Zelle einen Widerstandswert von 104 bis 109 Ω für eine Zelle aufweist, die eine Fläche A von einem Quadratmikrometer aus dem obigen Ausdruck hierfür aufweist, läge der Wert der Widerstand-Kapazität-Zeitkonstanten für den Spannungsanstieg an der Zelle durch den Erfassungsverstärker zwischen 0,35 ns und 35.000 ns. Das Erfordernis, in Bezug auf Informationswiedergewinnungszeiten anderer Arten von Direktzugriffsspeichern wettbewerbsfähig zu sein, erfordert, daß der Wirkwiderstand einer Speicherzelle 17 viel näher bei dem Wert von 104 Ω als bei 109 Ω liegt, um wettbewerbsfähige Datenwiedergewinnungszeiten zu liefern, und deshalb muß der Aluminiumoxidabschnitt der Sperrschicht 14 ausreichend dünn sein.
  • Ein weiterer Parameter, der bei einer Speicherzelle oder Bitstruktur 17 zu berücksichtigen ist, sind die damit verbundenen elektrischen Störgeräusche und ihre Beziehung zu der verfügbaren Signalspannungsänderung beim Umschalten der Magnetisierungen der in derselben befindlichen ferromagnetischen Schichten von antiparallel zu parallel. Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, ist diese Signalspannung für eine Zelle 17 mit einem feststehenden Strom durch dieselbe, der dazu führt, daß über die Zelle ein Abfall von ungefähr 100 mV stattfindet (der Wert der obigen Spannung, den das Ansprechen auf ein Umschalten der Magnetisierungen der ferromagnetischen Schicht verringert), das Zellspannungsansprechen auf die Umschaltung der Magnetisierungsrichtung, mit 100 mV multipliziert. Falls das Parallelumschaltansprechen der ferromagnetischen Schicht 20% beträgt, beträgt das Spannungsänderungssignal von der Zelle 20 mV. Die Störspannung ist andererseits stark auf den äquivalenten Widerstand R der Zelle und die Bandbreite, Δf bezogen, die in der Informationswiedergewinnungsausgangsschaltungsanordnung effektiv ist und deren Störspannung aus der Theorie elektrischer Störgeräusche bei Raumtemperatur bekannt ist, nämlich Vn = 1,26·10–10F·(Rmin·Δf)1/2 wobei F der Störfaktor des Spannungswiedergewinnungsschaltungsanordnungssystems mit einem Minimalwert von Eins ist. Falls die Bandbreite Δf mit 100 μHz angenommen wird, wie es bei Direktzugriffsspeicher-Datenwiedergewinnungsschaltungsanordnungssystemen üblich ist, kann der vorstehende Ausdruck als Vn = 1,26·10–10F·Rmin 1/2 geschrieben werden.
  • Offensichtlich kann das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert werden, indem eine Speicherzelle oder Bitstruktur 17 einer größeren Fläche hergestellt wird, um einen geringeren Widerstand und somit eine geringere Störspannung zu ergeben. Beispielsweise erfordert der obige Signalwert von 20 mV bei einem Signal/Rausch-Verhältnis von 20, was ein Wert ist, der in der Regel als ausreichend dafür befunden wird, daß ein Direktzugriffsspeicher eine geringe Fehlerrate liefert, einen Störspannungswert für Vn, der kleiner als 1 mV ist, für einen Störfaktorwert des Minimalwerts 1. Dies erfordert, daß Rmin einen Wert aufweist, der geringer ist als 890 kΩ. Falls die Zelle einen spezifischen Widerstand von 1.000 μΩ/μm2 aufweist, müßte eine Speicherzelle 17 eine Fläche von 1.122 μm2 aufweisen. Andererseits würde ein spezifischer Zellwiderstand von 0,1 μΩ/μm2 dazu führen, daß eine Speicherzelle eine Fläche von lediglich 0,1 μm2 aufweisen muß. Wiederum muß der Aluminiumoxidabschnitt der Sperrschicht 14 dünn genug sein, um eine Verwendung einer Speicherzelle zu erlauben, die eine ausreichend kleine Fläche aufweist, um zu einem Speicher auf einem Chip einer monolithischen integrierten Schaltung zu führen, der eine ausreichend hohe Speicherzellendichte aufweist.
  • Was den Zellwiderstand gegenüber Charakteristika eines angelegten externen Magnetfeldes einer Zelle 17 angeht, so weiß man aus thermodynamischen Überlegungen, daß magnetische Strukturen bei Minimalwerten der freien Energien dieser Strukturen Magnetisierungszustände eines stabilen Gleichgewichts aufweisen. Die gesamte freie Energie einer Bitstruktur oder Speicherzelle 17 kann allgemein als ETot = E1 + E2 + E12 wiedergegeben werden,
    wobei die gesamte freie Energie durch ETot dargestellt wird, die Selbstenergie der ersten und der zweiten Schicht durch E1 bzw. E2 dargestellt wird und die Interaktionsenergie zwischen den beiden Schichten durch E12 dargestellt wird. Wie oben angegeben wurde, besteht eine sinnvolle Annäherung für die Struktur einer Bitstruktur 17 darin, anzunehmen, daß die in derselben befindlichen ferromagnetischen Dünnfilmschichten jeweils eine einzelne Domäne aufweisen, die die Annahme ermöglicht, daß sich die Magnetisierung einer Schicht lediglich durch Drehung ändert und daß diese Schichten eine einachsige Anisotropie aufweisen. Diese und weitere sinnvolle Annäherungen, beispielsweise eine Annahme, daß aufgrund einer Magnetostriktion oder aus anderen Gründen derzeit keine Magnetenergie vorliegt, und daß der Betriebsstrom durch die Sperr- bzw. Zwischenschicht 14, die im wesentlichen senkrecht zu den ferromagnetischen Filmen ist, ein vernachlässigbares Magnetfeld liefert, ermöglichen eine analytische Darstellung des Verhaltens einer Bitstruktur oder Speicherzelle 17, die sehr weitgehend mit den in 4 gezeigten Charakteristika übereinstimmt. Die zu diesem Zweck bereitgestellten Ausdrücke, die diese Energien darstellen, beruhen auf der in 5A gezeigten Bitstruktur, wie sie von den in 1A und 1B gezeigten Bitstrukturen 17 genommen ist.
  • Die Selbstenergie für diesen Zweck einer dickeren ferromagnetischen zusammengesetzten Dünnfilmschicht 12, 13, die hier als die erste Schicht bezeichnet wird, kann wie folgt dargestellt werden:
    Figure 00410001
    und die Selbstenergie einer dünneren ferromagnetischen zusammengesetzten Dünnfilmschicht 13', 12', die als die zweite Schicht angesehen wird, kann desgleichen als
    Figure 00410002
    geschrieben werden.
  • Der erste Term in jedem dieser Selbstenergie-Ausdrücke stellt die Anisotropieenergie in der entsprechenden der Schichten aufgrund der in derselben vorliegenden Anisotropien dar, vorwiegend aufgrund der Anisotropie, die durch die Aufbringung dieser ferromagnetischen Filme in der Gegenwart eines Magnetfeldes hervorgerufen wird, was dazu führt, daß Energie benötigt wird, um die Magnetisierung des Filmes von der Achse der leichten Magnetisierbarkeit, die durch eine derartige Aufbringung darin eingerichtet ist, abzuweichen. Die Effekte derartiger Anisotropien werden auf eine hinreichend bekannte Weise durch ein effektives Anisotropiefeld in jeder Schicht, Hk1 bzw. Hk2, multipliziert mit der Sättigungsmagnetisierung dieser Schicht, die Ms1 für Schicht 1 und Ms2 für Schicht 2 ist, kumulativ dargestellt. Der Winkel zwischen der Magnetisierung der ersten Schicht, M1, der durch einen gestrichelten Vektor in 5A dargestellt ist, und der durchschnittlichen Achse der leichten Magnetisierbarkeit wird durch θ1 dargestellt. Der Winkel zwischen der Magnetisierung der zweiten Schicht M2, der in dieser Figur durch einen durchgezogenen Vektor gezeigt ist, und der durchschnittlichen Achse der leichten Magnetisierbarkeit wird durch Θ2 dargestellt. Das Volumen jeder Schicht, V1 für Schicht 1 und V2 für Schicht 2, multiplizieren die jeweiligen Terme, um die gesamte Anisotropieenergie in jeder entsprechenden Schicht zu ergeben. Um eine anfängliche Drehvorspannung für die Magnetisierungen in den entgegengesetzten Richtungen in den beiden ferromagnetischen Schichten zu liefern, wird die Achse der leichten Magnetisierbarkeit jeder Schicht während der Herstellung um einen Winkel Θs gedreht. Eine derartige Vorspannung verringert Umschaltschwellen in den Zellen 17.
  • Der zweite und der dritte Term in jedem der letzten beiden Energieausdrücke stellen die Entmagnetisierungs-Selbstenergie für jede der entsprechenden Schichten in einer Form dar, die üblicherweise hierfür geschrieben ist. Bei diesen Termen stellen die Symbole D1L und D2L jeweils den Entmagnetisierungsfaktor dar, der der Längenachse für die relevante der ersten und zweiten ferromagnetischen Dünnfilmschicht in der Bitstruktur 17 entspricht. Die Symbole D1W und D2W in diesen Termen stellen jeweils die Entmagnetisierungsfaktoren dar, die der Breitenachse für die damit in Beziehung stehende Schicht entsprechen.
  • Die vierten Terme jedes dieser Ausdrücke stellen die Energie der Magnetisierung in der entsprechenden Schicht aufgrund des Stroms dar, der in der zugeordneten Wortleitung 22 angelegt ist, um ein Magnetfeld Hw zu erzeugen, das/die in 5A von rechts nach links gerichtet gezeigt ist. Sollte eine Mäanderwortleitung verwendet werden, würde der Feldanteil aus Strom in dieser Leitung lediglich zu dem Feld Hw, das durch den Strom durch die Wortleitung 22 über die entsprechende Bitstruktur 17 bereitgestellt wird, hinzugefügt werden und einen Teil desselben darstellen.
  • Der letzte Term in jedem dieser Ausdrücke stellt die Energie der Magnetisierung in der entsprechenden Schicht aufgrund eines effektiven Vorspannungsstroms dar, der ebenfalls in einer oberen Verbindung 20 geführt wird (der statt dessen in der Verbindung 11' und dem Träger geführt werden könnte), wie oben beschrieben wurde, falls vorhanden, wobei dieses Feld mit Hb bezeichnet und in 5A durch einen nach oben zeigenden durchgezogenen Pfeil dargestellt ist, wobei angenommen wird, daß der Stromfluß in dieser Vorspannungsleitung von links nach rechts verläuft. Ein derartiges Vorspannungsfeld kann verwendet werden, um ein Umschalten der Magnetisierungsrichtung der dickeren ferromagnetischen Schicht zu unterstützen.
  • Die Interaktionsenergie zwischen den beiden ferromagnetischen Dünnfilmschichten in einer Bitstruktur oder Speicherzelle 17 wird durch folgendes gegeben:
  • Figure 00430001
  • Der erste Term in diesem Interaktionsenergieausdruck erklärt die Austauschkopplungsenergie und die korrelierte Oberflächenwelligkeits-Kopplungsenergie (Kopplungsenergie der Texturvariation), die auf die übliche Weise durch ein effektives Austauschfeld, He, dargestellt ist, um diese Kopplungen zwischen den ferromagnetischen Dünnfilmschichten abzudecken. Dieser Term wird mit dem Durchschnittsvolumen und der Durchschnittsmagnetisierung (Durchschnitt = average) beider dieser Schichten, oder
    Figure 00430002
    und
    Figure 00440001
    multipliziert.
  • Die letzten beiden Terme in dem Ausdruck der Interaktionsenergie der ferromagnetischen Schicht stellen die Effekte der Magnetisierung in einer Schicht auf die Magnetisierung in der anderen hin analog zu der bekannten Dipol-Dipol-Interaktion dar, indem die Magnetisierung in jeder Schicht als einen Dipol, der mit der Magnetisierung in der anderen interagiert, betrachtet wird. Aufgrund der extrem großen Nähe der beiden ferromagnetischen Schichten wird angenommen, daß das effektive Feld in einer Schicht aufgrund des Entmagnetisierungsfeldes in der anderen identisch mit diesem Quellenentmagnetisierungsfeld ist, wobei jegliche Effekte der Trennung ignoriert werden. Diese Terme sind für die oben beschriebene Umschalthemmung (und eine gewisse Drehungsunterstützung) verantwortlich, die zu der erhöhten Größenschwelle führt, der man sich beim Umschalten der Magnetisierungsrichtung der dickeren ferromagnetischen Schicht 12, 13 gegenübersieht, wenn die Magnetisierung der dünneren Schicht 13', 12' entgegengesetzt zu der der dickeren Schicht gerichtet ist.
  • Massen eines ferromagnetischen Materials allgemeiner Formen in einem Magnetfeld führen zu sehr komplexen Entmagnetisierungsfaktoren, die das interne Ansprechen dieser Masse auf das Feld charakterisieren. Homogene Körper, deren Oberflächen durch Ausdrücke in dem zweiten Grad charakterisierbar sind, führen zu Entmagnetisierungsfaktoren in gleichmäßigen Feldern, die viel lenkbarer sind, d. h. die Magnetisierungsfaktoren für Ellipsoide wurden in einer analytischen geschlossenen Form bestimmt. Wie in 5B zu sehen ist, kann ein Ellipsoid mit entsprechenden seiner Achsen, die numerisch gleich der Länge, Breite und Dicke der ferromagnetischen Dünnfilmschichten in der Bitstruktur 17 der 5A sind, versehen sein. Man kann sehen, daß das sich ergebende Ellipsoid sich ziemlich stark an diese Schichten annähert, wenn man 5A und 5B zusammen betrachtet, zumindest für die in 5A freiliegende dünnere zusammengesetzte ferromagnetische Schicht 13', 12'. Jedoch ist die Länge und Breite der dickeren ferromagnetischen zusammengesetzten Dünnfilmschicht 12, 13 dieselbe wie die der Schicht 13', 12', und die Dickenunterschiede zwischen den beiden Schichten werden durch die unterschiedlichen Abmessungen der dritten Achse der Ellipsoide, die verwendet wird, um sie so darzustellen, daß sie den Unterschied zwischen den Dicken (T = thickness) dieser Schichten reflektieren, ohne weiteres erklärt. Die sich ergebenden Entmagnetisierungsfaktoren lauten
    Figure 00450001
    für die Entmagnetisierungsfaktoren, die den Längen (L = length) der Ellipsoide entsprechen, die die beiden ferromagnetischen Dünnfilmschichten der Speicherzelle 17 in 5A darstellen, und
    Figure 00450002
    und
    Figure 00460001
    für die Entmagnetisierungsfaktoren, die den Breiten (W = width) dieser Ellipsoide für diese Schichten entsprechen.
  • Bei diesen Gleichungen für die Entmagnetisierungsfaktoren sind die verschiedenen trigonometrischen Terme, cos(Φ), cos(ζx) und sin(αx) , als
    Figure 00460002
    definiert,
    wobei L die Länge des Ellipsoids, W die Breite des Ellipsoids ist und Tx dadurch, daß x entweder auf 1 oder 2 eingestellt ist, um die erste oder zweite Schicht anzugeben, die Dicken der beiden annähernden Ellipsoide darstellt. Die Funktionen, die durch F(kx, ζx) und E(kx, ζx) bezeichnet sind, sind elliptische Integrale der ersten Art bzw. der zweiten Art, die als
    Figure 00470001
    definiert sind.
  • Diese Ausdrücke für die Entmagnetisierungsfaktoren können in mehreren Situationen weiter vereinfacht sein, einschließlich der vorliegenden Situation, bei der die Länge und Breite vergleichbare Größen aufweisen, jeweils aber mehr als eine Größenordnung größer sind als die Dicke, d. h. L ≥ W » Tx .
  • Unter diesen Umständen können die Entmagnetisierungsfaktoren als
    Figure 00470002
    für die Entmagnetisierungsfaktoren ausgedrückt werden, die den Längen der Ellipsoide entsprechen, die die entsprechende der beiden ferromagnetischen Schichten darstellen, und als
    Figure 00480001
    für die Entmagnetisierungsfaktoren ausgedrückt werden, die den Breiten dieser Ellipsoide entsprechen, die diese Schichten darstellen. Bei diesen letzten Gleichungen für die Entmagnetisierungsfaktoren ist das Symbol e als
    Figure 00480002
    definiert.
  • Die Funktionen K und Ec sind vollständige elliptische Integrale, die als
    Figure 00480003
    wiedergegeben werden.
  • Unter Verwendung dieser letzten Ausdrücke für die Entmagnetisierungsfaktoren können die obigen Ausdrücke für die Energiekomponenten in der freien Energie der Bitstrukturen 17 der 5A in einer vereinfachten Form umgeschrieben werden. Die Selbstenergie der ferromagnetischen Dünnfilmschicht 12, 13 wird zu
  • Figure 00490001
  • Der Ausdruck für die Selbstenergie der Schicht 13', 12' lautet nun
  • Figure 00490002
  • Schließlich wird der Interaktionsenergieausdruck zu
    Figure 00490003
    oder
  • Figure 00500001
  • Manche Begrenzungen müssen durch die Bitstrukturen 17 erfüllt sein, damit sie sich während Digitaldatenspeicherungs- und -wiedergewinnungsoperationen wie gewünscht verhalten. Die Breitenabmessung W derselben unterliegt zumindest zwei Bedingungen, die ihren Umfang darauf begrenzen, daß er geringer ist als bestimmte Werte. Wie beim Beschreiben des Betriebsprozesses angegeben wurde, hängt das Umschalten der Richtungen der Magnetisierungen der Schichten bei bestimmten Schwellwerten der wortleitungsstrombasierten Felder von der Größe der Vorspannungsfelder, die auf den Vorspannungsstrom zurückzuführen sind, ab, da diese Vorspannungsfelder diese Schwellen beeinflussen. Die Fähigkeit der durch die Vorspannungsströme erzeugten Felder, die Schwellen zu beeinflussen, wird mit der Zunahme der Breitenabmessung der Bitstruktur 17 zunehmend geringer und verschwindet letztendlich vollständig oder wird vernachlässigbar. Dies beginnt, stattzufinden, wenn die Breite der Bitstruktur das Doppelte der Aufrollänge, die in dieser Struktur für die Größe des wortleitungsstrombasierten Feldes, das zum Umschalten der Richtungen der Schichtmagnetisierungen verwendet wird, erfahren wird, überschreitet.
  • Die Magnetisierungen von Abschnitten in der Nähe der Seiten einer Bitstruktur 17 sind dort in einer zu den Seiten parallelen Richtung in einem größeren Umfang definiert als diejenigen im Inneren der Struktur, und zwar aufgrund von Entmagnetisierungsüberlegungen. Während die Struktur breiter wird, schaltet das angelegte Feld an einem gewissen Punkt die Magnetisierung der Schichten in den inneren mittigen Abschnitten derselben um, ohne die Magnetisierungen der Schichtabschnitte in der Nähe der Ränder derselben umgeschaltet zu haben. Folglich tendieren die Felder, die auf den Vorspannungsstrom zurückzuführen sind und die richtungsmäßig orthogonal zu denen sind, die durch die Wortleitungsströme induziert sind, dazu, mit den Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichten auf zwei gegenläufige Weisen statt auf eine unterstützende Weise zu interagieren. Das heißt, daß die auf den Vorspannungsstrom zurückzuführenden Felder Drehmomente an den Magnetisierungen, die bereits in den mittigen Innenabschnitten gedreht sind, in einer Richtung verursachen, jedoch Drehmomente an den Magnetisierungen an den Rändern in einer entgegengesetzten Richtung bewirken, um dadurch in der Tat die Drehmomente an den Magnetisierungen aufzuheben. Die Absicht besteht statt dessen darin, die Drehmomente, die durch die Vorspannungsstromfelder erzeugt werden, in einer gemeinsamen Richtung wirken zu lassen, um das Umschalten der Magnetisierungen unter den angelegten Wortleitungsstromfeldern zu unterstützen. Daher sollte die Breite der Bitstruktur 17 nicht mehr als das Doppelte derartiger Aufrollängen, die in derselben von ihren Seiten nach innen zu vorliegen, betragen. Falls die Breite einer Bitstruktur 17 geringer ist als das Doppelte der Charakteristik der Aufrollänge derselben, drehen sich die Magnetisierungen der Schichten sowohl in den mittigen Innenabschnitten als auch in der Nähe der äußeren Seitenabschnitten derselben zusammen und unterliegen somit Drehmomenten von dem Feld, das durch den Vorspannungsstrom in einer gemeinsamen Richtung erzeugt wird.
  • Andererseits kann der Vorspannungsstrom ausreichend gering gehalten werden, so daß er beim Bestimmen der Magnetisierungsrichtungsumschaltschwellen kein bedeutender Faktor ist, insbesondere wenn eine Mäanderwortleitung verwendet wird. In jedem Fall erfordert ein geeigneter Betrieb der Bitstruktur 17, wie oben beschrieben, daß Entmagnetisierungsfelder eine ausreichende Größe aufweisen, um dazu zu dienen, das Umschalten der Magnetisierung der dickeren ferromagnetischen Dünnfilmschicht zu hemmen, nachdem die Magnetisierung der dünneren Schicht bereits entgegengesetzt ausgerichtet war, wie oben beschrieben wurde. Diese Hemmung ist vorwiegend auf die Entmagnetisierungsfeldkomponenten zurückzuführen, die der Breitenabmessung der Bitstruktur 17 gleichkommen, da diese Entmagnetisierungsfelder eine beträchtlich größere Größe aufweisen als diejenigen entlang der Länge dieser Struktur, wenn gegeben ist, daß die Breite einen bedeutend kleineren Umfang aufweist als die Länge. Um zu gewährleisten, daß die der Breite zugeordneten Entmagnetisierungsfelder in bezug auf die Anisotropiefelder, die in den Schichten vorliegen, dominant sind, ist es erforderlich, daß eine Bitstruktur 17 eine ausreichend geringe Breite aufweist, um dazu zu führen, daß das Breitenkomponentenentmagnetisierungsfeld größer ist als das Anisotropiefeld für die Schicht, oder daß Hdx, das das Entmagnetisierungsfeld entlang der Breiten darstellt, größer ist als Hkx, was zu Hdx = DxwMsx = 4πTxFwMsx > Hkx führt.
  • Diese Ungleichung ergibt dann
  • Figure 00520001
  • Da K und Ec bei abnehmenden Werten von e in bezug auf ihren Wert nicht stark variieren, muß das Verhältnis der Breite zur Länge ausreichend gering gehalten werden, so daß der e2-Faktor im Nenner auf der linken Seite der Ungleichung ausreichend klein ist, um zu bewirken, daß die Ungleichung für die Wahl der Dicke des entsprechenden gewählten Materials der ferromagnetischen Schicht gilt, wobei dieses Material ein bestimmtes Anisotropiefeld Hkx und eine bestimmte Sättigungsmagnetisierung Msx aufweist.
  • Abgesehen von ihrer Wirkung auf das Verhältnis der Breite zur Länge in der letzten Gleichung unterliegt die Länge einer Bitstruktur 17 über Praktikabilitätseinschränkungen hinaus keiner weiteren Einschränkung. Eine derartige Einschränkung besteht darin, daß das Erfordernis, über eine Bitstruktur 17 ein einigermaßen gleichmäßiges wortleitungsstrombasiertes Magnetfeld zu liefern, erfordert, daß die Wortleitung ungefähr so breit ist wie diese Bitstruktur. Für eine gewünschte Größe des durch den Wortleitungsstrom erzeugten Feldes wird dieser Strom, der notwendig ist, um diese Feldgröße zu liefern, proportional zu der Breite der Wortleitung, das heißt äquivalent zu der Länge der Bitstruktur 17. Somit besteht nicht nur ein Wunsch, die Bitlänge kurz zu halten, um zu ermöglichen, daß so viele wie möglich in dem Digitalspeicher vorgesehen werden, um seine Speicherdichte zu verbessern, sondern auch ein Wunsch, die Wortleitungsströme so klein wie möglich zu halten, um die Wärmedissipation in der monolithischen integrierten Schaltung zu verringern, was, wie gerade angegeben wurde, ferner erfordert, daß die Bitstrukturlängen relativ kurz gehalten werden.
  • Eine letzte Beschränkung der Bitstruktur 17 ist auf den benötigten Unterschied der Dicken zwischen der dickeren zusammengesetzten ferromagnetischen Dünnfilmschicht 12, 13 und der dünneren Schicht 13', 12' bezogen. Ein ungenügender Dickenunterschied zwischen diesen beiden Schichten angesichts einer hohen Rate von Änderungen des angelegten Magnetfeldes, wie sie sich beispielsweise aus der Verwendung einer abrupten Änderung des Stroms in den Wortleitungen, um derartige Feldänderungen zu erzeugen, ergibt, kann zu einem gleichzeitigen Umschalten der Magnetisierungsrichtung in beiden Schichten führen, obwohl lediglich eine derselben umgeschaltet werden sollte. Das heißt, falls der Dickenunterschied zwischen den Schichten, und somit der Magnetisierungsunterschied zwischen denselben, nicht ausreichend groß ist, schalten die Magnetisierungsrichtungen in jeder dieser Schichten zusammen um, auch wenn die für das Umschaltfeld beabsichtigte Größe nur etwas größer ist als der Umschaltschwellwert der dünneren Schicht, falls die Änderung in diesem Feld mit einer ausreichend hohen Rate angelegt werden sollte. Derartige hohe Anlegungsraten ergeben sich aus den typischen Änderungen der Wortleitungsstromwerte, die sich daraus ergeben, daß Transistorschalter aus- und eingeschaltet werden, was oft dazu führt, daß sich die Stromänderung an eine Schrittfunktion annähert.
  • Da das Verhalten der Magnetisierung in den ferromagnetischen Schichten einer Bitstruktur ansprechend auf ein sich abrupt änderndes Magnetfeld vorliegend von Belang ist, sind die Gleichungen einer Bewegung für die Magnetisierungen in den ferromagnetischen Schichten ansprechend auf Änderungen von Magnetfeldern relevant. Man stellt fest, daß geeignete Bewegungsgleichungen die Änderungszeitrate der Magnetisierung auf das Drehmoment beziehen, das an diese Magnetisierung durch alle vorhandenen Magnetfelder plus einige, die diese Bewegung dämpfen, angelegt wird. Eine hinreichend bekannte Gleichung, die diese Beziehung zum Ausdruck bringt und darauf beruht, eine bestimmte Form eines derartigen Dämpfens auszuwählen, ist die Gilbert-Gleichung, bzw.
  • Figure 00540001
  • Hier ist die Magnetisierung als ein Vektor
    Figure 00540002
    gezeigt, wie auch das gesamte Magnetfeld, das an die Magnetisierung angelegt ist,
    Figure 00540003
    . Das Symbol γ ist das gyromagnetische Verhältnis und das Symbol α ist die Dämpfungskonstante, die ziemlich klein ist, in der Regel zwischen 0,02 und 0,04.
  • Ein Ausdrücken dieser Vektorgleichung in ihren Komponenten, die in sphärischen Koordinaten dargestellt sind, führt zu dem folgenden gekoppelten System von Differentialgleichungen erster Ordnung (für ferromagnetische Dünnfilme mit Magnetisierungen, die durch vertikale Entmagnetisierungsfelder begrenzt sind, damit sie im wesentlichen in der Ebene des entsprechenden Films liegen) ergibt
  • Figure 00550001
  • Hier ist θ der Azimutalwinkel (oder Winkel in der Ebene der ferromagnetischen Schicht), und Φ ist der polare Winkel (oder der außerhalb der Ebene der ferromagnetischen Schicht gelegene Winkel) in sphärischen Koordinaten. Das Symbol τ stellt das Drehmoment dar, das infolge der vorhandenen Magnetfelder effektiv angelegt wird.
  • Das Ansprechen der Magnetisierungen der dünneren und dickeren ferromagnetischen Dünnfilme in einer Bitstruktur 17 auf das dynamische Anlegen von Drehmomenten über die durch die zugeordneten Wortleitungsströme erzeugten Magnetfelder kann aus diesen letztgenannten Gleichungen ersehen werden. 6 zeigt einen Graphen der Drehwinkelansprechverhalten der Magnetisierungen auf ein durch einen Wortleitungsstrom erzeugtes Drehmoment, das abrupt von Null auf einen Wert von etwa 30 Oe verschoben wird. Die dünnere Schicht der geringeren Koerzitivfeldstärke 13', 12' wird in diesem Graphen durch eine obere Kurve 90 dargestellt, die zeigt, wie sie mehr auf das angelegte Drehmoment anspricht als die dickere Schicht 12, 13 mit einer höheren Koerzitivfeldstär ke, die durch die untere Kurve, die mit 41 bezeichnet ist, dargestellt ist. Bei der gezeigten oberen Kurve hat sich die Magnetisierung der dünneren Schicht ansprechend auf einen Winkel von der Achse der leichten Magnetisierbarkeit von etwa π Radianen gedreht, und daher spiegelt diese Kurve wider, daß die Magnetisierungsrichtung bei dieser Schicht aufgrund des Anlegens des durch den Wortleitungsstrom erzeugten Feldes umgeschaltet wird.
  • Man beachte, daß in der Winkelposition dieses Magnetisierungsvektors beim Erreichen seines endgültigen Winkelwertes, wie es in der Kurve 40 zu sehen ist, eine beträchtliche Oszillation vorliegt. Obwohl diese Oszillation bzw. dieses „Einschwingen" (Ringing) in dem Ansprechverhalten der Magnetisierung der dünneren ferromagnetischen Schicht auf die Schrittfunktion in dem Wortleitungsfeld für den Betrieb des Bauelements relativ irrelevant ist, tritt ein ähnliches „Einschwingen" in dem Rotationswinkelverhalten des Magnetisierungsvektors der dickeren Schicht auf, wie es in Kurve 41 zu sehen ist, was wesentlich mehr Bedeutung aufweisen kann. Die größte Spitze in dem „Einschwingungs"-Abschnitt der unteren Kurve erreicht einen Winkelwert, der mehr als das Doppelte des Winkelwertes der abschließenden Winkelposition aufweist, die durch die Magnetisierung der dickeren Schicht infolge der angelegten Schrittfunktionswortleitungsstromsänderung und des unterstützenden Effekts der Magnetisierungswinkelpositionsänderung der inneren Schicht eingenommen wird (bis zum Punkt eines Umschaltens der Magnetisierungsrichtung in dieser Schicht).
  • Obwohl diese anfängliche Spitze des „Einschwingens" für die in 6 dargestellte Bitstruktur kein Problem ist, weil das Umschalten der Magnetisierungsrichtung in der dünneren Schicht unmittelbar danach beginnt, die Winkelpositionsänderung der Magnetisierung der dickeren Schicht zu hemmen, bevor sie π/2 Radiane erreicht, könnte diese anfängliche Spitze bei manchen Bitstrukturen, bei denen der Unterschied zwischen den Dicken der ferromagnetischen Dünnfilme zu gering ist oder ein Erfassungsstrom zu gering ist, oder beides, den π/2-Radianwert erreichen. An diesem Punkt schaltet die dickere ferromagnetische Schicht die Richtung ihrer Magnetisierung mehr oder weniger gleichzeitig mit der Umschaltung der Richtung der Magnetisierung der dünneren Schicht um, obwohl der letztendliche abschließende Wert, der für den Drehwinkel der Magnetisierung der dickeren Schicht ansprechend auf die Schrittfunktionswortleitungsstromänderung beabsichtigt war, weniger als π/2 Radiane betrug. Das heißt, daß eine Wortleitungsstromschrittfunktion mit der Absicht angelegt werden könnte, die Magnetisierungsrichtung der dünneren ferromagnetischen Schicht, aber nicht der dickeren Schicht, umzuschalten, jedoch aufgrund der Spitze in dem „Einschwingungs"-Abschnitt des Ansprechverhaltens der Magnetisierung der dickeren Schicht auf das angelegte Feld trotzdem zu einem Umschalten der Richtungen der Magnetisierungen beider Schichten führen könnte.
  • Die Folgen dieses dynamischen Verhaltens der Drehmagnetisierungen der dünneren oder dickeren ferromagnetischen Dünnfilme in der Bitstruktur 17 sind in den 7A und 7B zu sehen. In diesen Figuren sind die dynamischen Schwellen als zu den quasistatischen Schwellen, die sich aus einem Minimieren der vorstehenden Energiegleichungen ohne Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Struktur während des Betriebs ergeben, entgegengesetzt dargestellt. Die quasistatischen Schwellen wären zwischen 10% und 15% größer als die in 7A und 7B gezeigten dynamischen Umschaltschwellen. Diese Umschaltschwellen werden auf der Basis eines Verwendens der höchsten Änderungsrate des effektiv angelegten Drehmoments gefunden, das heißt sie sind die Schwellen, die sich aus einer Schrittfunktionsänderung des Wortleitungsstroms ergeben.
  • Die niedrigste Schwelle, 50, stellt die Umschaltschwelle für die dünnere Schicht 13', 12' dar, wenn sowohl die Magnetisierung derselben als auch die der dickeren Schicht noch nicht in eine Richtung umgeschaltet wurden, die die selbe ist wie die Richtung des angelegten Wortleitungsfeldes. Die nächstgrößere Umschaltschwelle, 51, steht ebenfalls für die dünnere ferromagnetische Dünnfilmschicht, jedoch stimmt hier die Magnetisierungsrichtung der dickeren Schicht mit der des angelegten Wortleitungsfeldes überein. Wie man erkennen kann, hat die Magnetisierung der dickeren Schicht in diesem Fall die Drehung der Magnetisierung der dünneren Schicht gehemmt, um die Umschaltschwelle für diese dünnere Schicht effektiv zu erhöhen. In jedem Fall ist die Umschaltschwelle der dünneren Schicht als eine Funktion des Schichtdickenunterschiedes dargestellt, jedoch weist diese Schicht für alle Kurven in diesem Graphen dieselbe Dicke von 40 Å auf.
  • Die nächstgrößere gezeigte Umschaltschwelle, 52, ist die dynamische Schwelle für die dickere Schicht 12, 13, wenn die Magnetisierungen sowohl dieser dickeren Schicht als auch der dünneren Schicht entgegengesetzt zu der Richtung des angelegten Wortleitungsfeldes sind. Folglich liegt kein hemmender Effekt von der Magnetisierung der dünnen Schicht auf die Magnetisierungsänderung der dickeren Schicht vor, so daß beide infolge des angelegten Feldes umschalten. Jedoch ist die Umschaltschwelle 52 als eine Funktion einer zunehmenden Dicke der dickeren Schicht gezeigt, um dadurch zu einem zunehmenden Dickenunterschied zwischen der dickeren und der dünneren Schicht zu führen. Offensichtlich erhöht sich die Umschaltschwelle für die dickere Schicht beträchtlich, wenn sich der Unterschied der Dicken der beiden Schichten erhöht. Die letztendliche Umschaltcharakteristik 53 stellt die Situation dar, bei der die dünnere Schicht bereits umgeschaltet ist, um in dieselbe Richtung wie das angelegte Wortleitungsfeld ausgerichtet zu sein, um das Umschalten der Magnetisierung der dickeren Schicht zu hemmen. Wiederum ist die Umschaltcharakteristik 53 als Funktion des zunehmenden Dickenunterschieds zwischen den Schichten dargestellt.
  • Wie man sehen kann, schneiden die Kurven der dynamischen Umschaltschwelle für die dünnere Schicht die Kurven der dynamischen Umschaltschwelle für die dickere Schicht, während die Dickenunterschiede zwischen den beiden Schichten ausreichend abnehmen. In dieser Situation besteht offensichtlich ein beträchtliches Risiko, daß die Magnetisierungsrichtungen sowohl der dickeren als auch der dünneren Schicht ansprechend auf das Anlegen einer Schrittfunktionsänderung des Wortleitungsstromes zusammen umschalten. Während der Dickenunterschied zwischen den Schichten zunimmt, entwickelt sich zwischen den Umschaltschwellen für die dünnere Schicht und den Umschaltschwellen für die dickere Schicht eine zunehmende Kluft, was somit eine Sicherheitstoleranz in Bezug auf ein Vermeiden des Umschaltens der dickeren Schicht ansprechend auf eine Schrittfunktionsänderung des Wortleitungsstroms, die lediglich die Magnetisierungsrichtung der dünneren Schicht umschalten soll, liefert.
  • 7B zeigt dynamische Umschaltschwellen derselben Beschaffenheit wie der in 7A gezeigten, mit der Ausnahme, daß sie in Verbindung mit der Verwendung eines größeren Erfassungsstroms gefunden werden, so daß in 7B den Schwellenbezugszeichen, die mit den in 7A verwendeten übereinstimmen, ein Apostroph folgt, was dazu führt, daß sie als 51', 52', 53' und 54' bezeichnet werden. Umschaltschwellen in 7B werden auf der Basis eines anfänglichen Vorspannwinkels ΘS–2 eingerichtet, der in der Tat ein Feld von 25 Oe in entgegengesetzten Richtungen in jeder Schicht liefert, im Vergleich zu dem Vorspannwinkel ΘS–1, der bei einem Finden der in 7A gezeigten Umschaltschwellen verwendet wird, wobei das darauf zurückzuführende effektive Feld lediglich 15 Oe betrug. Offensichtlich führt die Verwendung eines Vorspannwinkels einer höheren Größe zu einer größeren Sicherheitstoleranz bei geringeren Dickenunterschieden zwischen den Umschaltschwellen der dünneren Schicht und den Umschaltschwellen der dickeren Schicht.
  • Somit muß der Dickenunterschied zwischen den in einer Bitstruktur 17 verwendeten ferromagnetischen Dünnfilmen ausreichend groß sein, damit die Größe des Vorspannwinkels und die verwendeten geometrischen Strukturparameter gewährleisten, daß das Anlegen eines Wortleitungsfeldes, das die dünnere Schicht umschalten soll, nicht auch den Effekt hat, auch die dickere Schicht unbeabsichtigt umzuschalten. In vielen Situationen muß der Dickenunterschied zwischen den ferromagnetischen Dünnfilmschichten zumindest 10% des Durchschnitts dieser beiden Dicken übersteigen.
  • Die obigen Energiegleichungen, die auf den Ellipsoidannäherungen, die dort für die Bitstruktur 17, die die vorstehenden Einschränkungen erfüllt, beschrieben sind, können minimiert werden, um die Gleichgewichtswinkelpositionen der Magnetisierungen der ferromagnetischen Schicht als Funktion der durch einen angelegten Vorspannungs- und Wortleitungsstrom erzeugten Felder zu finden und um die quasistatischen Feldschwellen zu finden. Notwendige Bedingungen für ein derartiges Energieminimum lauten
  • Figure 00600001
  • Wenn man die Ableitung in bezug auf θ1 nimmt, um das Drehmoment τ1 zu finden, und wenn man das Ergebnis gleich Null setzt, wie bei der Gleichung für dieses Drehmoment oben angegeben wurde, erhält man
    Figure 00610001
    unter Verwendung von Vx = ATx, wobei A die Oberflächenfläche der ferromagnetischen Schichten ist, und unter Verwendung von Vavg = ATavg, wobei der Parameter Tavg
    Figure 00610002
    ist.
  • Desgleichen ergibt die Ableitung in bezug auf Θ2 der Gesamtenergie, um das Drehmoment τ2 zu liefern, und ein Gleich-Null-Setzen derselben, wie oben angegeben wurde,
  • Figure 00610003
  • Eine Möglichkeit zum Bestimmen der Gleichgewichtswinkel und der Umschaltschwellen besteht darin, eine dieser Drehmomentgleichungen zu verwenden, um die Abhängigkeit der Gesamtenergiegleichung von einem der beiden Magnetisierungsrichtungsdrehwinkel zu eliminieren und anschließend die zweite Ableitung der Energie zu finden und sie gleich Null zu setzen, um den Punkt zu ermitteln, bei dem das System von einem stabilen Gleichgewicht zu einem instabilen übergeht, d. h. den Umschaltpunkt zu ermitteln, was folgendes ergibt:
  • Figure 00620001
  • Alternativ können die beiden Drehmomentgleichungen auf selbstkonsistente Weise gelöst werden, um die gewünschten Lösungen zu erhalten. Ferner können die Widerstandscharakteristika für die entsprechende Bitstruktur gegenüber einem durch einen angelegten Wortleitungsstrom erzeugten Feld dargestellt werden, die mit den in 3, 4A und 4B gezeigten eng übereinstimmen, und zwar unter Verwendung dieser Ergebnisse und von
  • Figure 00620002
  • Um zu bestimmen, ob eine derartige Widerstandswertänderung infolge eines Anlegens von externen Magnetfeldern an eine Speicherzelle stattfand, werden Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 zum Zweck eines Anlegens eines Betriebsstroms an dieselben für Informationswiedergewinnungsoperationen und zum Verbinden derselben mit einer Informationswiedergewinnungsausgangsschaltungsanordnung gruppiert, um eine effiziente Verwendung von Oberflächenflächen zu liefern, bei denen derartige Zellen und eine derartige Schaltungsanordnung in der Struktur der monolithischen integrierten Schaltung vorgesehen sind. Somit könnte eine Abfolge von N Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 beispielsweise in einer seriellen Folge derselben verbunden sein und mit einem Betriebsstrom einer Größe I versorgt werden, der durch diese serielle Folge fließt, um zu einem Spannungsab fall, der gleich INRmin ist, über dieselben zu führen, wobei Rmin der minimale Widerstand jeder Zelle in der Abwesenheit von angelegten externen Magnetfeldern oder an den extremen Werten der verwendeten externen Magnetfelder ist. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß der minimale Widerstand jeder Zelle gleich dem aller anderen Zellen ist.
  • Eine Änderung des Widerstands einer ausgewählten Zelle in der seriellen Folge aufgrund von angelegten externen Feldern einer Größe, die ausreichend ist, um die Magnetisierungsrichtung der dünneren ferromagnetischen Schicht in dieser Zelle umzuschalten, soll beim Erreichen ihres Spitzenwiderstandswertes einen Wert von ΔR aufweisen. Eine derartige Zunahme des Widerstands führt zu einem Ausgangssignal einer Größe gleich I(NRmin + ΔR – NRmin) oder ΔRI, die als IRminΔR/Rmin oder IRminr geschrieben werden kann, wobei r das Widerstandsansprechverhältnis einer einzelnen Zelle ist, d. h. ΔR/Rmin. Unter diesen Umständen kann das Signal/Rausch-Verhältnis einer derartigen seriellen Folge von Speicherzellen, s/n|s unter Verwendung der Störspannung, die oben für eine einzelne Zelle gefunden wurde, die für N derartige Zellen in einer seriellen Folge derselben angepaßt ist, als
    Figure 00630001
    geschrieben werden. Diese serielle Folge von Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 führt dazu, daß sich über dieselben für einen bedeutenden Betriebsstrom I durch dieselben eine relativ große Spannung INRmin entwickelt, aufgrund des hohen Widerstands der Sperr- oder Zwischenschicht 14 in jeder derartigen Zelle, und die elektrischen Störgeräusche in der seriellen Folge erhöhen sich mit N½, so daß das Signal/Rausch-Verhältnis um den Faktor N–½ abnimmt. Ferner weist die serielle Folge eine relativ hohe Impedanz auf, mit der die Eingangsimpedanz der Informationswiedergewin nungsschaltungsanordnung übereinstimmen muß, um einen maximalen Leistungstransfer zu liefern.
  • Monolithische integrierte Schaltungen werden kontinuierlich bei immer niedrigeren Versorgungsspannungen betrieben und können somit oft mit einer parallelen Verbindung von N Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 stärker kompatibel sein. Ferner wird ein Begrenzen des Spannungsabfalls über jede derartige Zelle auf 100 mV, um das maximale Teilspannungsansprechverhalten zu erhalten, wie oben angegeben wurde, leichter in einer Parallelschaltung derartiger Zellen als einer Reihenschaltung bewerkstelligt, falls zwischen den einzelnen Zellen beträchtliche Widerstandsunterschiede vorliegen. Ferner verringert das Parallelschalten von Zellen die effektive Impedanz der verbundenen Folge, die in manchen Situationen mit der Eingangsimpedanz der Ausgangsinformationswiedergewinnungsschaltungsanordnung stärker kompatibel sein kann.
  • Eine derartige parallelgeschaltete Anordnung ist in 8A gezeigt. Hier sind zwei Sequenzen von Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 aus einem Array von vielen gezeigt, wobei die Zellen in jeder Sequenz zueinander parallelgeschaltet sind, wobei eine obere Sequenz mit einem ersten Ausgangsinformationswiedergewinnungsschaltungserfassungsverstärker 60 verbunden ist und eine untere Sequenz von parallelgeschalteten Zellen mit einem weiteren Informationswiedergewinnungsausgangsschaltungserfassungsverstärker 61 verbunden ist. Die beiden Ausgänge jedes der Erfassungsverstärker 60 und 61 liefern komplementäre logische Signale auf einem Paar von Datenausgangsleitungen 62 und 63. Der Erfassungsverstärker 60 wird durch eine erste Freigabeleitung 64 freigegeben, und der Erfassungsverstärker 61 wird durch eine zweite Freigabeleitung 65 freigegeben.
  • An jeder der Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 in der oberen Sequenz derselben läuft eine Wortleitung 22 vorbei, und jede Speicherzelle oder Bitstruktur 17 ist zwischen die obere Verbindung 20 und die Verbindung 11' und den Träger geschaltet. Bei einer nicht gezeigten Umschaltschaltungsanordnung können die Verbindung 11' und der Träger und die Verbindung 20 verbunden sein, um einen Betriebsstrom I zu führen, von dem ein Teil während eines Informationswiedergewinnungsprozesses an jede zwischen dieselben geschaltete Zelle 17 geliefert wird, während ihr entsprechender Erfassungsverstärker freigegeben ist und während die zu der für eine Wiedergewinnung ausgewählten Zelle benachbarte Wortleitung einen durch dieselbe geleiteten Strom aufweist, der ausreichend ist, um die Magnetisierungsrichtung der dünneren ferromagnetischen Schicht 12', 13' in derselben umzuschalten. Für Informationsspeicherungsprozesse können die Verbindung 11' und der Träger und die entsprechende der Wortleitungen 22 so umgeschaltet werden, daß durch beide beträchtliche Ströme geleitet werden, die zusammen ausreichend sind, um ein Magnetfeld zu liefern, um die Magnetisierungsrichtung der dickeren Schicht 12, 13 in der entsprechenden der Zellen 17 umzuschalten.
  • 8B zeigt eine elementare Ersatzschaltung für eine der verbundenen parallelen Sequenzen von Speicherzellen oder Bitstrukturen 17, die in 8A gezeigt ist, wobei die obere Sequenz zur Veranschaulichung in 8B gewählt ist. Jede der Zellen 17 wird durch einen Widerstand, der einen Wert von Rmin aufweist, und eine Kapazität, die einen Wert von C aufweist, dargestellt. Zusätzlich dazu, daß eine der Zellen 17 in der Darstellung einen Widerstand von Rmin aufweist, wurde ihr Magnetzustand so verändert, daß sie ferner so dargestellt ist, daß sie einen zusätzlichen Widerstand des Wertes ΔR über ihrem Minimalwert von Rmin aufweist. Wiederum der Einfachheit halber weisen alle Zellen in der Darstellung dieselben Widerstands- und Kapazitätswerte auf, mit Ausnahme der einen, die den zusätzlichen Widerstandswert von ΔR aufweist. In der Darstellung weist der Erfassungsverstärker 60 eine Innenimpedanz, die durch einen Widerstand mit einem Widerstandswert Ra dargestellt ist, und eine Kapazität, die einen Kapazitätswert von Ca aufweist, auf. Bei diesem Schaltungsaufbau zum Verbinden einer Gruppe von Zellen 17 miteinander und mit der Informationswiedergewinnungsausgangsschaltungsanordnung wäre die Wirkwiderstand-Kapazität-Zeitkonstante bei Ra = 1/Ga
    Figure 00660001
    was bei einem kleinen Ca und einem maximalen Energietransfer, so daß Ra = Rmin/N, wiederum
    Figure 00660002
    ergibt.
  • Der Widerstand von N parallelen Wirkwiderständen des Wertes Rmin ist gleich Rmin/N. Der Widerstandswert von (N – 1) Widerständen des Wertes Rmin die parallel zueinander und parallel zu einem weiteren Widerstand des Wertes Rmin + ΔR sind, lautet
  • Figure 00660003
  • Folglich lautet das Ausgangssignal der Sequenz von Speicherzellen 17, die parallelgeschaltet sind, wenn eine derselben einen Anstieg des Widerstands von ΔR aufweist,
  • Figure 00660004
  • Dies kann statt dessen als
    Figure 00670001
    geschrieben werden, wobei r wiederum das Ansprechverhältnis ΔR/Rmin ist.
  • Falls eine Spannung Vo von etwa 100 mV über jede der Speicherzellen 17 in der parallelgeschalteten Sequenz derselben nominal gehalten werden soll, um dieselben bei ihrer maximalen Ausgangssignalsensibilität zu halten, kann, wie oben angegeben wurde, der Nennspannungsabfall IRmin/N über dieses verbundene Array als Vo geschrieben werden, um
    Figure 00670002
    zu ergeben.
  • Somit verringert sich das Ausgangssignal des Arrays von parallelgeschalteten Speicherzellen mit der Zunahme der Anzahl von Speicherzellen, das heißt das magnetoresistive Ansprechverhältnis r einer einzelnen Speicherzelle verringert sich effektiv mit der Zunahme der Anzahl von Speicherzellen, die parallel sind, was ein Ausgangssignal ergibt, das von etwa 20 mV für eine einzelne Zelle auf etwa 2 mV zurückgeht, falls 10 derartige Zellen zueinander parallelgeschaltet sind.
  • Das Signal/Rausch-Verhältnis des Arrays von parallel geschalteten Speicherzellen wird zu
  • Figure 00680001
  • Wie zu erkennen ist, sind die elektrischen Störgeräusche in dem Array von parallelgeschalteten Speicherzellen aufgrund der Tatsache, daß die Speicherzellen parallelgeschaltet sind, um einen Faktor von (1/N)½ verringert, was zu einem verringerten Wirkwiderstand für die Sequenz als Quelle von elektrischen Störgeräuschen in denselben führt. Diesen verringerten Störgeräuschen steht selbstverständlich der verringerte Wert des Ausgangssignals gegenüber, so daß das Signal/Rausch-Verhältnis ebenfalls um den Faktor (N)–½ (eigentlich sogar ein bißchen mehr, je nach dem Wert des Ansprechverhältnisses) abnimmt.
  • Derartige Umstände erfordern in vielen Fällen, daß eine andere Art von Schaltungsaufbau gefunden wird, in dem eine Gruppe von Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 mit einer Informationswiedergewinnungsausgangsschaltungsanordnung verbunden wird, die nicht dazu führt, das Signal an dem Ausgang von einer einzelnen Zelle 17 von etwa 20 mV auf einen effektiv viel kleineren Signalwert in der Gegenwart einer Gruppe verbundener Zellen, je nach der Anzahl von auf diese Weise verbundenen Zellen, zu verringern. Eine Möglichkeit, diesen Ausgangssignalwert von etwa 20 mV von jeder Speicherzelle oder Bitstruktur 17 in einem Array derselben an die Informationswiedergewinnungsausgangsschaltungsanordnung beizubehalten, ist in 9A gezeigt. Dort sind in und auf dem Halbleitersubstrat 10 selbstsperrende n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) 70 vorgesehen, und zwar jeweils in Reihe mit einer entsprechenden der Speicherzellen oder Bitstrukturen 17. Bei einer derartigen Anordnung sind diese Transistoren, wenn sie im „Aus"-Zustand sind, in der Lage, die entsprechende dieser Zellen von dem entsprechenden Leiter, der von derselben zu der Informationswiedergewinnungsausgangsschaltungsanordnung führt, und somit von den anderen Zellen in der Gruppe oder dem Array, im wesentlichen elektrisch zu isolieren.
  • Bei jedem der Transistoren 70 ist seine Source 71 durch eine Verbindung 72 mit einer entsprechenden der Zellen 17 elektrisch verbunden. Bei jedem der Transistoren 70 ist sein Drain 73 mit einem Leiter 74 elektrisch verbunden, der wiederum elektrisch verbunden ist, um das Umschalten desselben zu einer elektrischen Energieversorgungsquelle, nicht gezeigt, zu erlauben, die einen Betriebsstrom an jegliche ausgewählte der Zellen 17 liefert, die durch ihren entsprechenden Transistor 70 mit derselben verbunden ist. Der Leiter 74 ist ferner mit einem Auswahl-MOSFET 75 verbunden, der als Durchgangstransistor dient, der wiederum mit dem Erfassungsverstärker 60 verbunden ist. Jeder der Auswahltransistoren 75 wird durch ein entsprechendes Signal an der entsprechenden von Gateauswahlverbindungen 76, die mit seinem Gate verbunden sind, in den „Ein"-Zustand geschaltet.
  • Die gegenüberliegende Seite jeder Zelle 17 ist durch eine Verbindung 77 mit einem weiteren Leiter 78 elektrisch verbunden, der wiederum elektrisch verbunden ist, um das Umschalten derselben zu einer elektrischen Energieversorgungsquelle, nicht gezeigt, zu ermöglichen, die entweder einen Betriebsstrom von jeglicher ausgewählten der mit derselben verbundenen Zellen 17 abzieht oder einen Magnetfelderzeugungsstrom zum Unterstützen des Umschaltens der Magnetisierungsrichtung einer ferromagnetischen Schicht oder ferromagnetischer Schichten in einer Zelle 17 bereitstellt. In dem letzteren Fall kann das durch einen Strom in dem Leiter 77 erzeugte Magnetfeld das durch einen Strom in einer Wortleitung 22, die in der Nähe einer der interessierenden Zellen 17 verläuft, erzeugte Magnetfeld unterstützen, damit eines oder beide Magnetfelder zu Informationswiedergewinnungs- oder Informationsspeicherungszwecken zur Verfügung stehen. Die Transistoren 70 werden durch Auswahlsignale, die über entsprechende Leiter 80 an ihre Gates 79 angelegt werden, zwischen dem „Ein"-Zustand und dem „Aus"-Zustand umgeschaltet.
  • Die Transistoren 70 können alternativ dazu mit ihrer entsprechenden Zelle 17 in der Reihenschaltung derselben zwischen einem Leiter 74 und einem Leiter 78 positionsmäßig vertauscht werden, um diese Zelle in der Transistor-Drain-Schaltung und nicht in ihrer -Source-Schaltung zu plazieren, ohne eine beträchtliche Auswirkung auf die elektrische Isolierung der Zelle von anderen Zellen. Ferner könnten statt der gezeigten MOSFETs alternativ auch bipolare Transistoren als die Transistoren 70 verwendet werden. Selbstverständlich würden die implementierenden Strukturen in monolithischen integrierten Schaltungen für diese Alternativen beträchtliche Änderungen bezüglich denjenigen, die mit den gezeigten MOSFET-Bauelementen verwendet werden, erfordern.
  • Koinzidenzströme werden zum Auswählen einer Zelle 17 als die Basis zum Wiedergewinnen von Informationen von derselben oder zum Speichern von Informationen in derselben verwendet. Um Informationen von einer Zelle 17 wiederzugewinnen, wird über den Leiter 80 an das Gate 79 des Transistors, mit dem die Zelle verbunden ist, ein Signal geliefert, um diesen Transistor in den „Ein"-Zustand zu schalten, und eine elektrische Energieversorgungsquelle wird zu dem Leiter 74 geschaltet, um durch den Transistor und die entsprechende ausgewählte Zelle einen Betriebsstrom zu liefern, der an dem Leiter 78 weggeführt wird. Ein Strom in der entsprechenden der Wortleitungen 22 für diese Zelle wird ausreichend erzeugt, um die Magnetisierung der dünneren der ferromagnetischen Schichten in der Zelle als Teil des Wiedergewinnungsoperationsprozesses umzuschalten. Das Einschalten des Transistors 70 ermöglicht eine Widerstandsverschiebung in der Zelle 17, um über dieselbe einen erhöhten Spannungsabfall zu bewirken, der durch diesen Transis tor 70 auf der Leitung 74 seitens des Erfassungsverstärkers 60 erfaßt wird, der dieses Signal durch den entsprechenden der Auswahltransistoren 75, der durch ein Signal auf der entsprechenden der Auswahlleitung 76 ausgewählt wird, empfängt.
  • Eine Informationsspeicherungsoperation erfordert andererseits, daß Koinzidenzströme zu dem Leiter 78 und der Wortleitung 22 geschaltet werden, die zusammen ein ausreichend großes Magnetfeld liefern, um die Magnetisierungsrichtung der dickeren der ferromagnetischen Schichten in der ausgewählten der Zellen 17, an der die Ströme gleichzeitig präsentiert werden, umzuschalten. Transistoren 70 werden während derartiger Speicheroperationen in den „Aus"-Zustand geschaltet.
  • Eine mögliche Konstruktion für einen Abschnitt eines Chips einer monolithischen integrierten Schaltung, um den in 9A gezeigten Schaltungsaufbau zu liefern, ist in dem Schichtdiagramm für eine der Zellen 17 und den zugeordneten Transistor 70, in 9B gezeigt, angegeben. Dort weist das Halbleitermaterialsubstrat 10 einer Leitfähigkeit vom p-Typ einen Transistor 70 auf, der in und auf einem Abschnitt einer Hauptoberfläche desselben gebildet ist, der durch ein Vorsehen einer Öffnung in einem bauelementisolierenden Feldoxid 81 zur Verfügung gestellt wird. Der Drain 73 und die Verbindung 74 sind durch eine implantierte Region einer Leitfähigkeit vom n+-Typ in dem Halbleitersubstrat 10 gebildet und von einer ähnlichen implantierten Region mit einer Leitfähigkeit vom n+-Typ, die die Source 71 bildet, durch ein Gate 79 aus dotiertem Polysilizium getrennt, das sich zu einem Leiter 80 aus dotiertem Polysilizium, der in dieser Figur nicht zu sehen ist, erstreckt. Das Gate 79 ist durch ein dünnes Gateoxid 82 von dem Halbleitersubstrat 10 getrennt. Wie beschrieben wurde, ist der Transistor 70 durch hinreichend bekannte Techniken für die Herstellung derartiger Transistoren in monolithischen integrierten Schaltungen gebildet.
  • Über dem Transistor 70 wurde eine weitere isolierende Oxidschicht 83 vorgesehen und über der Source 71 wurde eine Öffnung in derselben vorgesehen, in und über der eine erste Metallaufbringung vorgesehen ist. Dieses Ergebnis wird einem Planarisierungsvorgang unterzogen, um einen Metallstöpsel aus Aluminium, das mit 2% Kupfer legiert ist, als Verbindung 72 zu belassen, die sich von der Source 71 durch die Oxidschicht 83 zu der oberen Oberfläche dieser Oxidschicht erstreckt. Auf diesem Metallstöpsel bzw. auf dieser Verbindung 72 ist auf die oben beschriebene Weise eine Speicherzelle oder Bitstruktur 17 gebildet. Unter Verwendung hinreichend bekannter Techniken im Anschluß an eine derartige Bereitstellung wurde eine Schicht aus Siliziumnitrid 84 aufgebracht und anschließend strukturiert, um in derselben eine Öffnung zu der Speicherzelle 17 zu liefern, in der eine zweite Metallaufbringung und -strukturierung vorgesehen wurde, um die Verbindung 77 und den Leiter 78, wiederum eine Aluminiumlegierung mit 2% Kupfer, zu bilden. Eine weitere Schicht aus Siliziumnitrid, 85, wird anschließend als Basis für die nachfolgende Aufbringung einer Metallschicht aufgebracht, um die Wortleitung 22, wiederum aus mit 2% Kupfer legiertem Aluminium, zu bilden. Schließlich wird eine Passivierungs- und Schutzschicht aus Siliziumnitrid, 86, aufgebracht.
  • Bei einer alternativen Kreuzpunktverbindungsanordnung für eine Informationswiedergewinnungsausgangsschaltungsanordnung, die Gruppen von Zellen 17 miteinander verbindet, werden wiederum Koinzidenzströme in beiden Informationswiedergewinnungsoperationen, die zum Wiedergewinnen von Informationen aus diesen Zellen unternommen werden, und in Informationsspeicherungsoperationen, die in Verbindung mit diesen Zellen verwendet werden, eingesetzt. Ein derartiger Schaltungsaufbau ist in 10A gezeigt, bei dem Leiter 74 nun direkt mit einer Seite der Aufeinanderfolge von Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 verbunden sind und mit einer elektrischen Energieversorgungsquelle an einem Ende derselben verbindbar sind, um entweder Betriebsströme oder einen Magnetfelderzeugungsstrom für diese mit derselben verbundenen Zellen zu liefern. Zusätzlich sind die Leiter 74 ferner mit einem entsprechenden der Durchgangstransistoren 75, wie sie in 9A gezeigt sind, verbunden, die jeweils durch Signale, die auf der entsprechenden Auswahlleitung 76, die mit seinem Gate verbunden ist, geliefert werden, um dadurch einen leitfähigen Weg von dem entsprechenden Leiter 74 zu dem Erfassungsverstärker 60 zu liefern, in den „Ein"-Zustand geschaltet werden können. Die Leiter 78 erstrecken sich in der Darstellung diesmal in einer Richtung, die zu dem Leiter 74 im wesentlichen senkrecht ist, und sie können von einer ausgewählten Zelle 17, die mit denselben elektrisch verbunden ist, einen Betriebsstrom abführen oder sie können einen Strom führen, um ein magnetisches Feld um dieselben zu erzeugen, das diejenigen Zellen 17, die mit denselben elektrisch verbunden sind, beeinflußt.
  • Falls die Zellen 17 jeweils direkt mit einem entsprechenden Leiter 78 verbunden wären, um jeweils direkt zwischen einen entsprechenden der Leiter 74 und einen entsprechenden der Leiter 78 geschaltet zu sein, würde das Verbinden einer elektrischen Energieversorgungsquelle mit einem ausgewählten Leiter 74 und einem ausgewählten Leiter 78 zu einem Strom in anderen Stromwegen durch das Array über den Stromweg durch die Zelle 17, die zwischen diese beiden ausgewählten Leiter geschaltet ist, hinaus führen. Ein Strom in anderen derartigen Stromwegen kann zu unerwünschten Effekten bezüglich des Ausgangssignals von der beabsichtigen ausgewählten Zelle, die direkt zwischen die ausgewählten Leiter geschaltet ist, führen. Derartige unerwünschte Effekte können wiederum dadurch abgemildert werden, daß eine ausreichende elektrische Isolierung jeder Zelle 17 von den anderen in dem Array vorliegenden Zellen geliefert wird, so daß im wesentlichen das ganze 20 mV betragende Ausgangssignal, das von der ausgewählten Zelle verfügbar ist, den Erfassungsverstärker 60 durch den entsprechenden freigegebenen der Transistoren 75 erreicht.
  • Eine Möglichkeit, wie dies bewerkstelligt werden kann, ist in 10A gezeigt, in dem eine Diode 90 zwischen jede Zelle 17 und ihre Verbindung mit einem entsprechenden Leiter 78 geschaltet ist, wobei die Diodenanode durch eine Verbindung 91 mit der Zelle 17 verbunden ist. Dies verhindert, daß sich etwaige Abschnitte eines leitfähigen Wegs von den Leitern 78 durch entsprechende Zellen 17 zu den entsprechenden Leitern 74 erstrecken. Alternativ können die Positionen jeder der Dioden 90 und ihrer entsprechenden Zelle in der Reihenschaltung zwischen einem Leiter 74 und einem Leiter 78 ohne eine bedeutende Auswirkung auf die elektrische Isolierung einer Zelle von den anderen Zellen in der verbundenen Gruppe ausgetauscht werden, obwohl in einer monolithischen integrierten Schaltung eine andere strukturelle Implementierung verwendet würde. Bei dieser Alternative wäre die Kathode der Diode somit mit ihrer entsprechenden der Zellen 17 verbunden.
  • 10B zeigt einen Abschnitt eines Schichtdiagramms einer der Zellen 17 und der entsprechenden Diode der 10A, die auf hinreichend bekannte Weise zusammen mit den Verbindungen 74 und 78 gebildet ist, die sich im wesentlichen senkrecht zueinander erstrecken und ebenfalls durch bekannte Techniken gebildet sind. Das Halbleitersubstrat 10 einer p-Leitfähigkeit weist zunächst eine Region 92 einer Leitfähigkeit vom n+-Typ auf, die in demselben in einer Öffnung in dem Feldoxid 81 implantiert ist, um zu verhindern, daß zwischen dem Substrat 10 und den Regionen, die anschließend in diesem Substrat über der Region 92 bereitgestellt werden sollen, eine Transistorwirkung auftritt. Diese Region ist mit 92, 78 bezeichnet, da sie auch einen Teil des Leiters 78 bildet. Anschließend wird eine weitere Region 93 einer Leitfähigkeit vom n-Typ durch diese selbe Öffnung in dem Oxid 81 über und in die Region 92 implantiert, um die Diodenkathode zu vervollständigen und um ferner wiederum einen Teil des Leiters 78 zu bilden. Hierauf folgt ein Implantieren einer Region einer Leitfähigkeit vom p-Typ, 94, durch dieselbe Oxidöffnung über und in die Region 93, um die Diodenanode zu bilden. Anschließend wird eine Oxidschicht 95 über dieser Feldoxidöffnung, der Oxidschicht 81 und der Region 94 bereitgestellt, und danach wird in der Oxidschicht 95 eine Öffnung vorgesehen, um eine Zugangsöffnung zu der Region 94 zu liefern. Eine erste Metallschicht aus mit 2% Kupfer legiertem Aluminium wird anschließend aufgebracht und strukturiert, um diese Öffnung zu füllen, um einen Metallstöpsel bzw. eine Verbindung 91 zu liefern, wobei das Ergebnis einem Planarisierungsprozeß unterzogen wird. Dann wird auf die oben beschriebene Weise auf dem Metallstöpsel 91 eine Speicherzelle oder Bitstruktur 17 gebildet.
  • Unter Verwendung bekannter Techniken wird danach eine Siliziumnitridschicht 96 über den freiliegenden Oberflächen des Metallstöpsels 91, der Oxidschicht 95 und der Zelle 17 aufgebracht. Eine Öffnung wird in der Siliziumnitridschicht 96 vorgesehen, um die Zelle 17 zu erreichen, und in einem zweiten Metallaufbringungsschritt wird ein Metall aufgebracht, und zwar wiederum mit 2% Kupfer legiertes Aluminium, um nach dem Strukturieren einen Leiter 74 zu bilden. Anschließend wird eine weitere Passivierungs- und Schutzschicht aus Siliziumnitrid, 97, bereitgestellt.
  • Kleine Speicher, die in einer anderen Schaltungsanordnung, die mit denselben verwendet wird, eingebettet sind, erfordern oft größere Ausgangssignale, als sie durch die Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 direkt bereitgestellt werden. Solche Zellen können in einer Flip-Flop-Anordnung integriert sein, um die Stromsteuerung zu liefern, die erforderlich ist, um das Flip-Flop in einen ausgewählten Zustand zu versetzen. Zwei derartige Flip-Flop-Schaltungen sind in 11A und 11B gezeigt.
  • 11A zeigt ein Paar von selbstsperrenden n-Kanal-MOSFETs 100 und 101, bei denen die Source jeweils mit einem Massereferenzpotentialanschluß 102 verbunden ist, der in Verbindung mit einem Positivspannungsleistungsversorgungsanschluß 103 vorgesehen ist, der für eine Verbindung mit einer Quelle einer positiven Spannung geeignet ist. Der Drain jedes der Transistoren 100 und 101 ist mit der Source eines entsprechenden eines Paars von selbstsperrenden n-Kanal-MOSFETs 104 und 105 verbunden, die als Lasten in den Drain-Schaltungen der entsprechenden der Transistoren 100 und 101 dienen. Das Gate jedes Lasttransistors 104 und 105 ist mit dessen Drain verbunden. Diese Drains wiederum sind mit dem Positivversorgungsspannungsanschluß 103 verbunden.
  • Die Seite der Schaltung der 11A, bei der die Transistoren 100 und 104 miteinander in Reihe geschaltet sind, und die Seite dieser Schaltung, bei der die Transistoren 101 und 105 miteinander in Reihe geschaltet sind, sind durch Verwendung zweier Speicherzellen oder Bitstrukturen 17 miteinander kreuzgekoppelt. Bei jeder der Zellen 17 ist eine Seite derselben mit einem entsprechenden der Drains der Transistoren 100 und 101 verbunden, und die andere Seite derselben ist mit dem Gate des gegenüberliegenden dieser Transistoren verbunden. Ferner erstreckt sich eine Wortleitung 22 über jede der Zellen 17 hinaus, führt jedoch den Strom durch dieselben in entgegengesetzten Richtungen durch jede dieser Zellen, um in der Lage zu sein, die Magnetisierungsrichtungen in den ferromagnetischen Schichten jeder Zelle in einer Richtung, die zu der der anderen entgegengesetzt ist, umzuschalten. Eine weitere Wortleitung 22' ist ebenfalls über jede der Zellen 17 hinaus vorgesehen, so daß die Zellen 17 für Magnetisierungsrichtungsänderungen der dickeren ferromagnetischen Schicht in denselben durch die Verwendung von Koinzidenzströmen in den Wortleitungen 22 und 22' ausgewählt werden können.
  • Da sich jede der Zellen 17 in dem entgegengesetzten Speicherungszustand befindet, bei dem die Magnetisierungen der dickeren Schichten in denselben in entgegengesetzte Richtungen bezüglich Feldern zeigen, die durch Ströme in der Wortleitung 22' erzeugt werden, führt ein Umschalten von Spannung von dem Massepotential zu einem im wesentlichen positiven Pegel an dem Positivspannungsversorgungsanschluß 103, die mit Strom durch die Wortleitung 22' zusammenfällt, dazu, daß sich eine der Zellen 17 in dem Minimalwiderstandszustand und die andere in dem Maximalwiderstandszustand befindet. Folglich gelangt ein größerer Strom durch die Zelle mit dem kleineren Widerstand in die parasitäre Kapazität, die sich von dem Gate des entsprechenden der Transistoren 100 und 101, mit dem sie verbunden ist, zu Masse erstreckt. Die parasitäre Gate-Kapazität gewinnt somit rascher an Ladung, um dadurch diesen Transistor in den „Ein"-Zustand zu schalten und um zu verhindern, daß der gegenüberliegende dieser Transistoren in diesen Zustand geschaltet wird, und zwar aufgrund der Abnahme der Drain-Spannung des „Ein"-Transistors auf einen Wert unter der Schwellspannung des gegenüberliegenden Transistors, dessen Gate mit diesem Drain verbunden ist, während dieser „Ein"-Transistor Strom durch seine Last zieht. Die zwei verschiedenen Spannungspegel an den Drains der Transistoren 100 und 101 nach einem solchen Umschalten von ausreichender Positivspannung auf den Anschluß 103 stellen die digitalen Informationen und ihre Ergänzung dar, die in den dickeren ferromagnetischen Schichten der Zellen 17 gespeichert sind.
  • Das Flip-Flop behält diese Bedingung für die Positivspannung an dem Anschluß 103 bei, die, sogar nachdem der Strom von der Wortleitung 22' entfernt wird, beibehalten wird, da die Spannung an dem Drain dieses einen der Transistoren 100 und 101, der in den „Ein"-Zustand geschaltet ist, weiterhin einen Wert aufweist, der geringer ist als die Schwellspannung des anderen. Dieses Ausgangsergebnis eines Umschaltens von einem Massepotential zu einer ausreichenden Positivspannung an dem Anschluß 103 zusammen mit der gleichzeitigen Bereitstellung von Strom in der Wortleitung 22' kann für das nächste derartige Umschalten lediglich dadurch geändert werden, daß zuvor gleichzeitig gelieferte Wortleitungsströme durch die Wortleitung 22' und die Wortleitung 22 vorliegen, um dadurch die Magnetisierungen der dickeren der ferromagnetischen Schichten in jeder der Zellen 17 umschalten zu lassen.
  • Eine ähnliche Operation wird bei der Schaltung eines komplementären Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors (CMOS – complementary metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistor) der 11B erreicht, wenn die Spannung an dem Positivversorgungsspannungsanschluß 103 von Massepotential auf ein ausreichendes positives Potential erhöht wird, die Abhängigkeit von der parasitären Kapazität der Gates der Transistoren 100 und 101 jedoch aufgrund der veränderten Konfiguration nicht bedeutend ist. Die Transistoren 104 und 105 in 11A werden durch ein Paar von selbstsperrenden p-Kanal-Transistoren 104' und 105' in 11B ersetzt, wobei die Gates derselben mit den entsprechenden Gates der Transistoren 100 bzw. 101 elektrisch verbunden sind. Die Gates der Transistoren 100 und 104' sind mit der anderen Seite der Schaltung kreuzgekoppelt, indem sie direkt mit dem Drain des Transistors 105' verbunden sind, und die Gates der Transistoren 101 und 105' sind desgleichen kreuzgekoppelt, indem sie direkt mit dem Drain des Transistors 104' verbunden sind. Die Zellen 17 sind jeweils zwischen die Source eines der Transistoren 104' und 105' und den Drain des entsprechenden der Transistoren 100 und 101 geschaltet.
  • Während also eine Positivspannung zu dem Positivversorgungsanschluß 103 geschaltet ist, wobei ein Koinzidenzstrom in der Wortleitung 22' fließt, führt die eine der Zellen 17, die den größeren Widerstand aufweist, zu einem größeren Spannungsabfall über dieselbe und den entsprechenden der Transistoren 100 und 101, mit dessen Drain sie verbunden ist, um zuerst den gegenüberliegenden dieser Transistoren in den „Ein"-Zustand zu schalten. Durch diesen „Ein"-Zustand-Transistor fließt ein vorübergehender Strom, ebenso durch die mit dessen Drain verbundene Zelle 17 und den p-Kanal-Transistor, der mit dieser Zelle verbunden ist, wobei dieser zuletzt genannte Transistor dann in den „Aus"-Zustand schaltet. Dies beläßt den anderen p-Kanal-Transistor in dem „Ein"-Zustand, und den mit demselben in Reihe geschalteten n-Kanal-Transistor und die andere Zelle 17 in dem „Aus"-Zustand. Wiederum kann dieses Ausgangsergebnis eines Umschaltens von einem Massepotential zu einer ausreichenden Positivspannung an dem Anschluß 103 zusammen mit der gleichzeitigen Bereitstellung von Strom in der Wortleitung 22' für das nächste derartige Umschalten lediglich dadurch geändert werden, daß zuvor gleichzeitig gelieferte Wortleitungsströme durch die Wortleitung 22' und die Wortleitung 22 vorliegen, um dadurch die Magnetisierungen der dickeren der ferromagnetischen Schichten in jeder der Zellen 17 umschalten zu lassen.
  • Bei der in 11C gezeigten Schaltung sind die Zellen 17 von den Drain-Schaltungen der Transistoren 100 und 101, wie in 11B gezeigt ist, zu den Source-Schaltungen dieser Transistoren umpositioniert, um jeweils zwischen eine entsprechende dieser Sources und Masse geschaltet zu sein. Für diese Schaltung findet ein Großteil derselben Operation statt wie für die Schaltung in 11B, mit der Ausnahme, daß die eine der Zellen 17, die den größeren Widerstand aufweist, der zu einem größeren Spannungsabfall über dieselbe führt, verhindert, daß der eine der mit derselben verbundenen Transistoren 100 und 101 zuerst in den „Ein"-Zustand geschaltet wird, was dazu führt, daß dies mit dem anderen dieser Transistoren geschieht.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, erkennen Fachleute, daß in bezug auf Form und Einzelheiten Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims (9)

  1. Ein Digitalspeicher (1 und 3) auf der Basis eines ferromagnetischen Dünnfilms, wobei der Speicher folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Bitstrukturen (17), die mit einer Informationswiedergewinnungsschaltungsanordnung ( 8, 9, 10) elektrisch verbunden ist, wobei die Bitstrukturen (17) folgende Merkmale aufweisen: eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (14) einer ausgewählten Dicke, wobei die Zwischenschicht (14) an gegenüberliegenden Seiten derselben zwei Hauptoberflächen aufweist; und einen Speicherfilm (12, 13, 12', 13') eines anisotropen ferromagnetischen Materials auf jeder der Hauptoberflächen der Zwischenschicht (14) mit Dicken, die sich von diesen Oberflächen nach außen um mindestens 5% voneinander unterscheiden, um dadurch vorwiegend Schaltschwellen für Magnetisierungen des Films benachbart zu jeder der Zwischenschicht-Hauptoberflächen zu liefern, die sich bezüglich ihres Wertes für ein Umschalten dieser Magnetisierungen ausgehend von einem Zustand, in dem beide anfänglich zumindest teilweise in einer im wesentlichen gemeinsamen Richtung gerichtet sind, in einen Zustand, in dem sie zumindest teilweise in im wesentlichen entgegengesetzten Richtungen gerichtet sind, gegenüber einem Umschalten ausgehend von einem Zustand, in dem sie anfänglich zumindest teilweise in im wesentlichen entgegengesetzten Richtungen gerichtet sind, in einen Zustand, in dem beide zumindest teilweise in einer im wesentlichen gemeinsamen Richtung gerichtet sind, unterscheiden, wobei die Hauptoberflächen der Zwischenschicht (14), die zu dem Speicherfilm (12, 13, 12', 13') benachbart sind, eine Oberflächenfläche aufweisen, die zusammen mit der Dicke der Zwischenschicht (14) eine Zeitkonstante für elektrische Energetisierungen der Bitstrukturen (17) liefert, die geringer ist als 35 μs; und eine Mehrzahl von Wortleitungsstrukturen (22, 22'), die jeweils ein Paar von Wortleitungsendanschlußregionen aufweisen, die ausgelegt sind, um einen elektrischen Strom in zumindest einer Richtung durch dieselben zu leiten, wobei jedes der Paare von Wortleitungsendanschlußregionen einen elektrischen Leiter (22, 22'), der zwischen denselben elektrisch verbunden ist, aufweist, der über eine elektrisch isolierende Schicht (21, 11', 23') von dem Speicherfilm (12, 13, 12', 13') auf einer der Hauptoberflächen der Zwischenschicht (14) einer entsprechenden der Bitstrukturen (17) angeordnet ist.
  2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der eine der Bitstrukturen (17) eine Länge entlang einer ausgewählten Richtung und eine Breite im wesentlichen senkrecht zu derselben, die in ihrem Ausmaß kleiner ist als die Länge, aufweist, wobei der Speicherfilm (12, 13, 12', 13') an jeder der Hauptoberflächen der Zwischenschicht (14) zumindest einer der Bitstrukturen (17) derart angeordnet ist, daß zwei separate Filme vorliegen, wobei einer der separaten Filme (12, 13, 12', 13') auf jeder der Hauptoberflächen und die separaten Speicherfilme (12, 13, 12', 13') in einer der Bitstrukturen (17) ein Anisotropiefeld aufweisen, und wobei die Breite geringer ist als ungefähr zwei Aufrollängen der separaten Filme (12, 13, 12', 13') von Rändern derselben, die im wesentlichen senkrecht zu der Breite sind, und die ausreichend gering ist, daß Entmagnetisierungsfelder, die in dem Speicherfilm ansprechend darauf entstehen, daß die Sättigungsmagnetisierung desselben entlang der Breite ausgerichtet ist, das Anisotropiefeld größenmäßig übertreffen.
  3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Speicherfilm (12, 13, 12', 13') an jeder der Hauptoberflächen ein zusammengesetzter Film ist, der eine dünnere Lage (13, 13') einer höheren magnetischen Sättigungsinduktion benachbart zu dem Zwischenmaterial (14) und eine dickere Lage (12, 12') einer geringeren magnetischen Sättigungsinduktion aufweist.
  4. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der eine der Bitstrukturen (17) eine Länge entlang einer ausgewählten Richtung und eine Breite im wesentlichen senkrecht zu derselben, die in ihrem Ausmaß kleiner ist als die Länge, aufweist, wobei der Speicherfilm (12, 13, 12', 13') in einer der Bitstrukturen ein Anisotropiefeld aufweist, und wobei die Breite ausreichend gering ist, daß Entmagnetisierungsfelder, die in dem Speicherfilm ansprechend darauf entstehen, daß die Sättigungsmagnetisierung desselben entlang der Breite ausgerichtet ist, das Anisotropiefeld größenmäßig übertreffen.
  5. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der eine der Bitstrukturen (17) eine Länge entlang einer ausgewählten Richtung und eine Breite im wesentlichen senkrecht zu derselben aufweist, die in ihrem Ausmaß kleiner ist als die Länge und einen geformten Endabschnitt aufweist, der sich über einen Abschnitt der Länge erstreckt, in dem sich die Breite an einem Ende desselben allmählich auf Null verringert.
  6. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Speicherfilm an jeder der Hauptoberflächen der Zwischenschicht zumindest einer der Bitstrukturen derart ange ordnet ist, daß zwei separate Filme vorliegen, wobei einer der separaten Filme auf jeder der Hauptoberflächen (1A, 3A, 5A) vorliegt.
  7. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von Wortleitungsstrukturen (22, 22') jeweils entsprechende Positionsbeziehungen mit mehreren der Mehrzahl von Bitstrukturen (17) aufweist.
  8. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Bitstruktur (17) eine Länge entlang einer ausgewählten Richtung und eine Breite im wesentlichen senkrecht zu derselben, die in ihrem Ausmaß kleiner ist als die Länge, aufweist, wobei die Breite geringer ist als ungefähr zwei Aufrollängen der separaten Filme (12, 13, 12', 13') von Rändern derselben, die im wesentlichen senkrecht zu der Breite sind.
  9. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der separate Speicherfilme (12, 13, 12', 13') an jeder der Hauptoberflächen unterschiedliche magnetische Momente aufweisen, die auf Dickenunterschiede derselben zurückzuführen sind.
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