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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Magnetspeicher und
insbesondere nicht-flüchtige Magnetspeicher
mit Direktzugriff, die das Speichern und Lesen von Daten in den
elektronischen Systemen ermöglichen.
Genauer gesagt betrifft sie mit M-RAM bezeichnete Magnetspeicher
mit Direktzugriff, die aus einem magnetischen Tunnelübergang gebildet
werden.
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STAND DER TECHNIK
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Die
Speicher, die auf einem Ladezustand einer Kapazität basieren,
(DRAM, SRAM, FLASH), werden gegenüber ionisierenden Strahlungen,
(wie zum Beispiel kosmischen Strahlen), in dem Maße empfindlicher,
in dem sich die Größe der elementaren
Transistoren reduziert. Außerdem
weisen die Speicher auf ferroelektrischer Basis (FRAM) ernstzunehmende
Alterungsprobleme auf. Die kürzlichen Entwicklungen
auf dem Gebiet der Magnetelektronik ermöglichten es, einen neuen Speichertyp
basierend auf der magnetischen Widerstandsänderung von magnetischen Verbindungen
zu konzipieren. Anders ausgedrückt,
ihr Funktionsprinzip beruht nicht mehr auf der Speicherung einer
elektrischen Ladung, sondern auf der relativen Ausrichtung der Magnetisierung
der Elemente, die sie bilden. Diese Magnetspeicher mit Direktzugriff
(Magnetic Random Access Memories – MRAM) weisen zahlreiche Vorteile
auf: Schnelligkeit (Schreib- und Lesedauer von einigen Nanosekunden),
Nichtflüchtigkeit,
Abwesenheit von Ermüdung
beim Lesen und beim Schreiben, Unempfindlichkeit gegenüber ionisierenden
Strahlungen. Sie sind geeignet, vorerst die Flash-Speicher und langfristig
die DRAM und SRAM zu ersetzen, um zu einem Universalspeicher zu
werden.
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In
den ersten Magnetspeichern wurde der Speicherpunkt aus einem Element
mit riesiger magnetischer Widerstandsänderung gebildet, das aus einem
Stapel von mehreren metallischen, abwechselnd magnetischen und nicht-magnetischen
Schichten ausgebildet wurde. Eine ausführliche Beschreibung dieses
Strukturentyps lässt
sich in den Dokumenten
US-A-4
949 039 und
US-A-5
159 513 für
die Grundstrukturen und in dem Dokument
US-A-5 343 422 für die Ausführung eines
RAM-Speichers ausgehend von diesen Grundstrukturen finden. Dieser Speichertyp
ermöglicht
seitens seiner Architektur die Ausführung von nicht-flüchtigen
Speichern mit einer einfachen Technologie, aber begrenzter Kapazität. Tatsächlich begrenzt
die Tatsache, dass die Speicherelemente entlang jeder Leitung in
Reihe geschaltet sind, die Integrationsmöglichkeit, da das Signal immer
schwächer
wird, wenn sich die Anzahl der Elemente erhöht.
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Die
vielversprechendsten Strukturen verwenden für jeden Speicherpunkt einen
magnetischen Tunnelübergang,
der im folgenden als Magnetic Tunnel Junction – MTJ bezeichnet wird, und
setzen sich in ihrer einfachsten Form aus zwei magnetischen Schichten
mit unterschiedlicher Koerzitivkraft zusammen, die durch eine dünne Isolierschicht
getrennt sind. Eine Beschreibung dieser Strukturen ist in der Veröffentlichung
Physics Letters angegeben, Band 54A (1975), Seite 225, oder in neuerer
Zeit in den Veröffentlichungen
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Band 139 (1995), Seite
L139, und Physical Review Letters, Band 74 (1995), Seite 3273. Die
Verwendung dieser Strukturen für
die Herstellung von MRAM ist erstmals in dem Dokument
US-A-5 640 343 beschrieben
worden.
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Die
vorerst vielversprechendste Architektur scheint diejenige zu sein,
die im Dokument
US-A-6 021 065 und
in der Veröffentlichung
Journal of Applied Physics, Band 81 (1997), Seite 3758 beschrieben
ist, und deren Prinzip schematisch in
1 dargestellt
ist. Wie in Figur zu sehen ist, wird jedes Speicherelement bzw.
jeder Speicherpunkt (
10) aus der Verbindung eines CMOS-Transistors
(
12) und einem MTJ-Übergang
(
11) gebildet. Der Übergang
(
11) umfasst wenigstens eine magnetische Schicht (
20),
die als freie Schicht bezeichnet wird, eine dünne Isolierschicht (
21)
und eine magnetische Schicht (
22), die als verriegelte
Schicht bezeichnet wird. Vorzugsweise, jedoch nicht einschränkend, werden
die zwei magnetischen Schichten auf Basis von 3d-Metallen (Fe, Co,
Ni) und ihren Legierungen ausgeführt,
und die Isolierschicht besteht aus Aluminiumoxid (Al
2O
3). Vorzugsweise ist die magnetische Schicht
(
22) an eine antiferromagnetische Schicht (
23)
gekoppelt, deren Funktion darin besteht, die Schicht (
22)
zu verriegeln, damit ihre Magnetisierung während des Schreibens nicht
kippt. Vorzugsweise kann auch die Schicht (
22) selbst aus
mehreren Schichten ausgebildet sein, wie dies zum Beispiel das Dokument
US-A-5 583 725 beschreibt,
um eine Schicht zu bilden, die als antiferromagnetisch synthetisch
bezeichnet wird. Alle diese sowie weitere Varianten sind dem Fachmann
bekannt.
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Die
Architektur umfasst des Weiteren drei Leitungsebenen. Die zwei Leitungsebenen
(14) (Wortleitung) und (15) (Bitleitung), die
im allgemeinen im Verhältnis
von 90° zueinander
angeordnet sind, sind dazu bestimmt, die elektrischen Impulse weiterzuleiten,
die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen, das die Umschaltung
der Magnetisierung der Schicht (20) während des Schreibprozesses
ermöglicht.
Diese Feldimpulse werden erzeugt, indem kurze Stromimpulse (typischerweise
2 bis 5 Nanosekunden) mit einer Stärke in der Größenordnung
von 10 mA die Leitungen (14) und (15) entlang
geschickt werden. Die Stärke
dieser Impulse und ihre Synchronisation werden so eingestellt, dass
sich nur die Magnetisierung des Speicherpunkts, der sich an der Kreuzung
dieser zwei Leitungen befindet, umkehrt. Eine Ebene einer zusätzlichen
Leitung (16) (Steuerleitung) ist dazu bestimmt, das Öffnen oder
das Schließen
des Kanals der Transistoren (12) zu steuern, um jedes Speicherelement
einzeln ansprechen zu können.
Die Transistoren (12) werden als Schalter verwendet.
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Im
Schreibmodus befindet sich der gewählte Transistor (12)
im blockierten oder OFF-Modus, es fließt kein Strom hindurch. In
die zwei Leitungen (14) und (15), die dem gewählten Speicherpunkt
(10) entsprechen, wird ein Stromimpuls I geschickt. Die Amplitude des Stromimpulses I ist
derart, dass das erzeugte Magnetfeld nicht ausreichend ist, um die Speicherstellen
auf den Leitungen kippen zu lassen, ausgenommen an der Schnittstelle
der Leitungen (14) und (15), wo der gemeinsame
Anteil der zwei Leitungen ausreichend ist, um die Magnetisierung der
Schicht (20) des Speicherpunkts kippen zu lassen.
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Im
Lesemodus befindet sich der Transistor (12) im gesättigten
oder ON-Modus, wenn ein positiver Stromimpuls in seine Basis durch
die Steuerleitung (16) geschickt wird, wobei der Strom,
der ihn durchfließt,
maximal ist. Anschließend
wird ein Messstrom in die Leitung (14) geschickt, der nur
den Speicherpunkt durchqueren kann, für den sich der Transistor (12)
in der ON-Position befindet. Über
diesen Strom wird eine Messung des Widerstands des Übergangs
(11) des gewählten
Speicherpunkts (10) vorgenommen. Durch Vergleich mit einem
Referenz-Speicherpunkt, der hier nicht beschrieben wird, wird somit
der entsprechende Zustand (1 oder 0) des Speicherpunkts (10)
ermittelt.
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Aus
der Beschreibung des Schreibmechanismus dieser Speicherpunkte werden
die Grenzen dieser Architektur deutlich:
- – Das Schreiben,
das durch ein externes Magnetfeld sichergestellt wird, wird dem
Wert des einzelnen Umkehrfelds jedes Speicherpunkts unterworfen.
Wenn die Verteilfunktion der Umkehrfelder für die Gesamtheit der Speicherpunkte
groß ist,
(tatsächlich
ist sie nicht gleichförmig
aufgrund der Konstruktionsspannungen), ist es notwendig, dass das
Magnetfeld auf dem gewählten
Speicherpunkt größer als
das höchste
Umkehrfeld der Verteilung ist, auf die Gefahr hin, dass gewisse Speicherpunkte,
die sich auf der Leitung und/oder dem entsprechenden Feld befinden,
unbeabsichtigt gekippt werden, deren Umkehrfeld, das in dem unteren
Teil der Verteilung liegt, schwächer als
das Magnetfeld ist, das allein von der Leitung oder dem Feld generiert
wird. Umgekehrt, wenn sichergestellt werden soll, dass kein Speicherpunkt
allein durch eine Leitung oder ein Feld beschrieben wird, muss der
Schreibstrom so begrenzt werden, dass er für diese Speicherpunkte das
Magnetfeld nie überschreitet,
das dem unteren Teil der Verteilung entspricht, auf die Gefahr hin,
den gewählten
Speicherpunkt an der Schnittstelle der Leitungen und Felder zu beschreiben, wenn
sich sein Umkehrfeld in dem oberen Teil der Verteilung befindet.
Mit anderen Worten, diese Architektur des Auswählens durch das Magnetfeld mittels
der Leitungen und Felder der Leiter kann leicht zu Adressierungsfehlern
beim Schreiben führen.
In Anbetracht dessen, dass erwartet wird, dass die Verteilfunktion
der Umkehrfelder der Speicherpunkte um so größer ist, je kleiner ihre Dimension
ist, weil dies die Geometrie der Speicherpunkte ist, (Form, Unregelmäßigkeiten,
Defekte), welche die Umkehr der Magnetisierung dominiert, kann sich
dieser Effekt in der Entwicklung künftiger Produkte nur verschlechtern.
- – Außerdem ermöglicht dieser
Schreibmodus nur das Beschreiben von jeweils einem einzigen Speicherpunkt,
um die Gefahr eines Adressierungsfehlers zu minimieren.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht genau darin, diesen Einschränkungen
abzuhelfen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft einen Magnetspeicher des Typs MTJ, der die Adressierungsfehler
minimiert, indem beim Schreiben die Speicherpunkte gesperrt werden,
die nicht beschrieben werden sollen. Dazu schlägt sie vor, die üblichen
ferromagnetischen Schichten (20, 22) des Typs,
der unter Bezugnahme auf 1 als auf Basis von 3d-Metallen
(Fe, Co, Ni) und ihren Legierungen beschrieben wurden, durch amorphe
ferrimagnetische Legierungen (AAF) zu ersetzen.
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Sie
schlägt
daher einen Magnetspeicher vor, bei dem jeder Speicherpunkt aus
einem magnetischen Tunnelübergang
gebildet wird, der folgendes umfasst:
- – eine magnetische
Schicht, die als verriegelte Schicht bezeichnet wird, deren Magnetisierung starr
ist,
- – eine
magnetische Schicht, die als freie Schicht bezeichnet wird, deren
Magnetisierung invertiert werden kann,
- – eine
Isolierschicht, die zwischen der freien Schicht und der verriegelten
Schicht angeordnet ist und sich jeweils mit diesen zwei Schichten
in Kontakt befindet.
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Erfindungsgemäß wird die
freie Schicht aus einer amorphen oder nanokristallisierten Legierung auf
Basis von seltener Erde und einem Übergangsmetall ausgeführt, wobei
die magnetische Ordnung der Legierung von ferrimagnetischem Typ
ist, und die Betriebstemperatur des Speichers so gewählt wird, dass
sie nahe an der Ausgleichstemperatur der Legierung liegt.
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Die
Ausgleichstemperatur wird als diejenige Temperatur definiert, bei
der die jeweiligen Magnetisierungen des Unternetzes der Atome der
seltenen Erden und des Unternetzes der Übergangsmetalle, die in die
Verbindung der AAF einfließen,
vollkommen kompensiert werden, das heißt, dass sie in der Amplitude
gleich und im Vorzeichen entgegengesetzt sind, weshalb die sich
daraus ergebende makroskopische Magnetisierung Null ist.
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Jeder
der Speicherpunkte ist auf der Schnittstelle eines Gitters von elektrischen
Leitern, vorzugsweise von gekreuzten Leitern, positioniert und an
seiner Basis mit einem Auswähl-Transistor und an
dem oberen Teil mit einem der gekreuzten Leiter verbunden.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung wird das Schreiben auf der Ebene eines betrachteten
Speicherpunkts ausgeführt,
indem gleichzeitig elektrische Stromimpulse in die gekreuzten Leiter
geschickt werden, um ein Schreib-Magnetfeld auf dem zu beschreibenden
Speicherpunkt und einen Heizstrom über den Transistor zu generieren.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung wird das Schreiben ausgeführt, indem Stromimpulse in
die gekreuzten Leiter geschickt werden, die dem zu beschreibenden
Speicherpunkt entsprechen, und indem die Speicherpunkte (zu sperrende
Speicherpunkte), deren Beschreiben man über die entsprechenden Transistoren
zu vermeiden wünscht,
erwärmt
werden, wobei der Erwärmungsstrom
so ausgewählt
wird, dass die Temperatur der zu sperrenden Speicherpunkte höher als
die Ausgleichstemperatur der ferrimagnetischen Legierung wird, welche
die freie Schicht der Speicherpunkte bildet, wobei die zu sperrenden
Speicherpunkte somit eine Magnetisierung ihrer freien Schicht aufweisen, die
in der gleichen Richtung ausgerichtet ist wie diejenige der freien
Schicht des zu beschreibenden Speicherpunkts.
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Die
Weise, in der die Erfindung ausgeführt werden kann, und die Vorteile,
die sich daraus ergeben, gehen besser aus den folgenden Ausführungsbeispielen
hervor, die beispielhaft und nicht einschränkend mit Hilfe der Figuren
im Anhang angegeben sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 wurde
bereits beschrieben und ist eine schematische Darstellung der Architektur
eines Magnetspeichers des bisherigen Stands der Technik, dessen
Speicherpunkte von einem MTJ gebildet werden.
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2a ist
eine schematische Darstellung der Magnetisierung einer AAF.
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2b ist
eine Kurve, welche die Veränderung
der Magnetisierung einer AAF in Abhängigkeit von der Temperatur
darstellt.
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Magnetspeichers in Übereinstimmung
mit einer ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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4 ist
eine repräsentative
Kurve der Veränderung
des Magnetumkehrfelds der freien AAF-Schicht eines MTJ des erfindungsgemäßen Speichers
in Abhängigkeit
von der Temperatur.
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5a bis 5d veranschaulichen
die Funktionsweise des Magnetspeichers gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung.
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6a bis 6c veranschaulichen
die Funktionsweise der Sperrung eines Speicherpunkts, welcher der
Konfiguration der 5d entspricht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie
oben kurz nochmals erwähnt,
beruht der Betrieb des Speichers in Übereinstimmung mit der Erfindung
auf der Ausführung
einer Erwärmungsphase
der freien AAF-Schicht des MTJ der Speicherpunkte, die ihn ausbilden.
Die Referenz zu dieser Temperaturerhöhung wird durch die Temperatur
gebildet, die als Ausgleichstemperatur bezeichnet wird. Zunächst wird
also schnell dieses Phänomen
ausführlich
beschrieben.
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Wie
daher in 2a zu beobachten ist, kann die
makroskopische Magnetisierung (50) einer Schicht (55)
einer AAF in zwei Anteile zerlegt werden, einen Anteil, der auf
das Unternetz der Atome von seltener Erde (51) zurückzuführen ist,
und einen Anteil, der auf das Unternetz der Atome von Übergangsmetall
(52) zurückzuführen ist.
Schematisch ergibt sich die makroskopische Magnetisierung (50) aus
der vektoriellen Summe der Magnetisierung der zwei Unternetze (51)
und (52).
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Außerdem sind
die Magnetisierungen des Unternetzes von seltener Erde (51)
und des Unternetzes des Übergangsmetalls
(52) untereinander stark gekoppelt, was zu einem gemeinsamen
Verhalten während
der Umkehrung der makroskopischen Magnetisierung (50) oder
der Neuausrichtung durch eine selektive Erregung von einem der Unternetze (51)
und (52) führt.
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Des
Weiteren, wenn die chemische Natur und relative Zusammensetzung
der seltenen Erde und des Übergangsmetalls
sinnvoll ausgewählt
werden, ist die magnetische Ordnung von ferrimagnetischem Typ, das
heißt,
dass sich die Magnetisierung des Unternetzes der Atome von seltener
Erde (51) in eine Richtung richtet, während sich die Magnetisierung
des Unternetzes der Atome von Übergangsmetall
(52) in die entgegengesetzte Richtung richtet. Wie in 2a zu
sehen ist, wenn der absolute Wert der Magnetisierungen (51)
und (52) der zwei Unternetze nicht gleich ist, ist das
makroskopische Magnetmoment (50) der Gesamtheit der AAF
nicht Null.
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Außerdem,
wie in 2b zu sehen ist, sind die Temperaturänderungen
der Magnetisierungen (51) des Unternetzes der seltenen
Erde und (52) des Übergangsmetalls
sehr unterschiedlich, was zu einer temperaturabhängigen Änderung der relativen Bedeutung
des Beitrags der zwei Unternetze zu der sich daraus ergebenden makroskopischen
Magnetisierung führt.
In der Regel nimmt die Magnetisierung des Unternetzes von seltener
Erde (51) schneller ab als die Magnetisierung des Unternetzes
von Übergangsmetall
(52). Wenn die chemische Natur und die relative Zusammensetzung
der seltenen Erde und des Übergangsmetalls
sinnvoll ausgewählt
werden, damit die Magnetisierungen (51) und (52)
der zwei Unternetze antiparallel sind, ist eine Temperatur vorhanden,
die als Ausgleichstemperatur (53) bezeichnet wird, bei
der diese zwei Magnetisierungen vollkommen ausgeglichen sind, das
heißt,
dass sie in der Amplitude gleich und im Vorzeichen entgegengesetzt sind,
weshalb die sich daraus ergebende makroskopische Magnetisierung
(50) Null ist. Unterhalb der Ausgleichstemperatur dominiert
das Unternetz von seltener Erde (51) und definiert die
Richtung der makroskopischen Magnetisierung (50). Oberhalb
der Ausgleichstemperatur dominiert das Unternetz von Übergangsmetall
(52) und bestimmt die Richtung der makroskopischen Magnetisierung
(50).
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Außerdem divergiert
das Koerzitivfeld bei der Ausgleichstemperatur (53) und
strebt gegen unendlich (siehe 4). Zu beiden
Seiten der Ausgleichstemperatur nimmt das Koerzitivfeld umso schneller
ab, je näher
sich die Temperatur an der Ausgleichstemperatur (53) befindet.
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Außerdem sind
die Elektronen, die zu der Magnetisierung des Unternetzes von Übergangsmetall
(52) beitragen, hauptsächlich
die Leitungselektronen (Elektronen 3d), das heißt, die
Elektronen, die an der Weiterleitung des elektrischen Stroms beteiligt sind.
Dagegen sind die Elektronen, die für die Magnetisierung des Unternetzes
von seltener Erde (51) zuständig sind, die Elektronen auf
Kernebene (Elektronen 4f), die von den anderen Elektronen
des Systems eingegrenzt und abgeschirmt werden.
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Schließlich können die
intrinsischen Eigenschaften dieser AAF (makroskopische Magnetisierung,
magnetische Anisotropie, Koerzitivfeld) sehr leicht über die
chemische Natur der eingesetzten Elemente und ihre jeweiligen Konzentrationen
gesteuert werden. Zu diesem Zweck können ebenfalls geringe Mengen
von Substitutionselementen, im allgemeinen Übergangsme talle, hitzebeständige Metalle
oder seltene Erden hinzugefügt
werden, zum Beispiel, aber nicht einschränkend Ta, Mo, Nb, Zr, Pt, Dy
und Sm.
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Unter
den in der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogenen AAF findet
sich vorzugsweise, aber nicht einschränkend, die amorphe Legierung von
Gadolinium (Gd) und Kobalt (Co), die eine ferrimagnetische Ordnung,
eine schwache magnetokristalline Anisotropie und, wenn die Zusammensetzung sinnvoll
ausgewählt
worden ist, eine Ausgleichstemperatur vereinigt, die der Betriebstemperatur
des Speichers nahe ist, beispielsweise Gd25Co75.
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Wie
in 3 zu sehen ist, wird der Speicherpunkt eines Magnetspeichers
in Übereinstimmung mit
der Erfindung aus einem MTJ (70) des AAF-Typs ausgebildet,
der eine magnetische Schicht (71), deren Magnetisierung
verriegelt ist, eine Isolierschicht (72), die aus Aluminiumoxid
ausgeführt
ist, und eine AAF-Legierungsschicht (73) umfasst, deren
Magnetisierung umgekehrt werden soll, um den Speicherpunkt (70)
zu beschreiben. Zwei Stromzuleitungen (74) und (75)
kreuzen sich lotrecht über
dem Speicherpunkt. Die Leitung des oberen Leiters (74)
befindet sich mit dem MTJ (70) in Kontakt. Die Leitung
des unteren Leiters (75) ist elektrisch von dem MTJ isoliert.
Ein Steuertransistor (76) und seine Steuerleitung (77)
sind unter und in Kontakt mit dem Speicherpunkt (70) positioniert.
Dies alles gleicht dem bisherigen Stand der Technik, mit Ausnahme
der chemischen Natur der Schichten (71) und (73).
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Vorteilhafterweise
kann eine Schicht mit starker Koerzitivität, zum Beispiel eine Legierung
auf Co-Basis oder eine antiferromagnetische Schicht, beispielsweise
eine (nicht dargestellte) geordnete PtMn-Legierung, auf der Schicht
(71) aufgebracht werden, um ihre Magnetisierung zu blockieren.
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Vorteilhafterweise
kann die magnetische Schicht (71) aus einer AAF-Legierung
ausgebildet werden, die mit der Schicht (73) identisch
oder von dieser verschieden ist, deren Umkehrfeld groß ist, zum
Beispiel einer Legierung auf Basis von Samarium und Kobalt, oder
auch einer amorphen Legierung auf Basis von Terbium und Kobalt.
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Ein
Speicherpunkt in Übereinstimmung
mit der Erfindung funktioniert auf folgende Weise, was in Bezug
auf 4 dargestellt ist:
Die Betriebstemperatur
(56) des Speichers wird in der Nähe der Ausgleichstemperatur
(53) der Schicht (73) gewählt, um große Umkehrfelder der Speicherpunkte
zu garantieren, da dieses bei der Ausgleichstemperatur (53)
divergiert. Vorteilhafterweise ist die Ausgleichstemperatur der
Schicht (73) geringfügig niedriger
als die Betriebstemperatur des Speichers.
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Beim
Schreiben durch einen Impuls in der Leitung (77) öffnet man
den Steuertransistor (76), der dem ausgewählten Speicherpunkt
(70) entspricht. Der Strom, der in den Speicherpunkt gelangt,
wird ausreichend gewählt,
um diesen letzteren auf eine weit über der Ausgleichstemperatur
(53) liegende Temperatur (57) zu erwärmen, wobei
die Erwärmung durch
den bedeutenden spezifischen Widerstand der AAF-Legierungen erleichtert
wird, die in der Schicht (73) verwendet werden. Mit dieser
Erwärmung
des Speicherpunkts (70) ist ein sprunghafter Abfall des Umkehrfelds
der Schicht (73) verbunden, weil sich dieses sehr schnell
in der Nähe
der Ausgleichstemperatur ändert.
Man schickt dann in die Erregerleitungen (74) und (75)
einen Stromimpuls mit einem derartigen Vorzeichen, daß er die
Umkehrung der Magnetisierung der Schicht (73) ermöglicht.
Sobald die Magnetisierung der Schicht (73) durch den Stromimpuls
in den Leitungen (74) und (75) umgekehrt worden
ist, wird der Heizstrom in der Leitung (77) abgeschaltet,
wodurch die Temperatur des Speicherpunkts (70) unter die
Ausgleichstemperatur (53) zurückgeführt wird und die Stromimpulse
in den Leitern (74) und (75) unterdrückt werden.
Der Speicherpunkt wird beschrieben.
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Beim
Lesen ist das Verfahren identisch mit demjenigen, das in dem bisherigen
Stand der Technik beschrieben worden ist, das heißt, ein
Lesen des Widerstands des Speicherpunkts durch einen Strom mit niedriger
Amplitude in der Leitung (77), wobei dieser Widerstand
mit demjenigen einer Referenz-Zelle verglichen wird, die in 3 nicht
beschrieben ist.
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Man
versteht das Interessante an dieser Architektur, wenn in Betracht
gezogen wird, daß das Umkehrfeld
sich mit der Temperatur in der Nähe
der Ausgleichstemperatur (53) enorm verändert. Infolgedessen ist es
möglich,
das Umkehrfeld des ausgewählten
Speicherpunkts auf Werte zu senken, die weit unter denjenigen der
anderen Speicherpunkte des Gitters liegen. Insbesondere kann das
Umkehrfeld des gewählten
Speicherpunkts unter der unteren Grenze der Umkehrfeldverteilung
der Gesamtheit des Speichers erhalten werden. Die Amplitude des Stromimpulses
ist daher ausreichend, um die Magnetisierung des Speicherpunkts
umzukehren, aber nicht, um die Magnetisierung der nicht ausgewählten Speicherpunkte
umzukehren, deren Temperatur nahe an der Betriebstemperatur bleibt,
und dies ohne Rücksicht
auf den Wert des Umkehrfelds in der Verteilung des Umkehrfelds der
Gesamtheit der Speicherpunkte des Gitters. Somit wird die Selektivität beim Schreiben
stark erhöht,
was die Beseitigung der Adressierungsfehler zur Folge hat, die im
bisherigen Stand der Technik beobachtet worden sind.
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Die
Ausnutzung einer Erwärmung
zum Begünstigen
der Auswahl eines Speicherpunkts ist bei den MTJ auf Basis von 3d-Metallen
wie beim Stand der Technik ebenfalls möglich, aber die viel langsamere
Veränderung
des Umkehrfelds mit der Temperatur in diesen Legierungen zwingt
zum Erwärmen auf
viel höhere
Temperaturen, was zu einem höheren Leistungsverbrauch
und einer längeren
Lesedauer führt.
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Vorteilhafterweise
kann der Heizstrom über ein
externes Heizelement erhalten werden, das in 3 nicht
dargestellt ist.
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Vorteilhafterweise
ermöglicht
diese Adressierungstechnik das gleichzeitige Beschreiben von mehreren
Speicherpunkten, indem die gleichzeitige Erwärmung mehrerer Speicherpunkte
gewählt
wird. Dieser Ansatz ermöglicht
es, die globale Schreibgeschwindigkeit des Speichers zu erhöhen.
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In
einer verbesserten Variante der Erfindung wird die Auswahl bei der
Adressierung erhalten, indem die Speicherpunkte, die man nicht beschreiben möchte, durch
eine Erwärmung
gesperrt werden, die identisch mit derjenigen ist, die für den ausgewählten Punkt
in der vorher beschriebenen Ausführungsform verwendet
wird. In diesem Fall, wie in 5 zu
sehen, wählt
man die chemische Natur und die Zusammensetzung der Schicht (73)
so, daß bei
der Betriebstemperatur im Ruhezustand des Speichers das Magnetmoment
des Unternetzes der Atome von seltener Erde (81) größer als
das Magnetmoment des Unternetzes der Atome von Übergangsmetall (82)
ist. Infolgedessen richtet sich die makroskopische Magnetisierung
(80) der Schicht (73) in die gleiche Richtung
wie die Magnetisierung des Unternetzes (81). Außerdem wird
die Betriebstemperatur im Ruhezustand des Speichers unter der Ausgleichstemperatur (53)
der Schicht (73) ausgewählt.
Der Schreibprozeß ist
dann wie folgt:
Man schickt über die Leiter (74)
und (75) einen Strom mit einer derartigen Amplitude, daß das Magnetfeld (88),
das an der Schnittstelle der Leiter erzeugt wird, die dem zu beschreibenden
Speicherpunkt entspricht, ein Vorzeichen besitzt, das der Magnetisierung
im Ruhezustand des zu beschreibenden Speicherpunkts (90)
entgegengesetzt ist, von dem nur die umzukehrenden Schicht (73)
in 5b dargestellt ist. Die Amplitude des so erzeugten
Schreib-Magnetfelds
(88) liegt weit über
dem Umkehrfeld des ausgewählten
Speicherpunkts (90), um sein Beschreiben ohne Fehler ohne
Rücksicht
auf die Verteilung des Umkehrfelds des Speicherpunktgitters sicherzustellen.
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Gleichzeitig
werden die anderen Speicherpunkte, die man nicht beschreiben möchte, gemäß dem folgenden
Verfahren gesperrt: Wenn der Speicherpunkt (91), der einen
der zu sperrenden Speicherpunkte bildet, von dem nur die Schicht
(73) in 5c dargestellt ist, eine makroskopische
Magnetisierung (80) in der Richtung besitzt, die der Magnetisierung
des zu beschreibenden Speicherpunkts (90) entgegengesetzt
ist, verläuft
das Magnetfeld (88) notwendigerweise in der gleichen Richtung
wie die Magnetisierung (80) des Speicherpunkts (91),
ist also ein stabilisierendes Feld. Infolgedessen wird der Zustand
des Speicherpunkts (91) nicht beeinträchtigt, ungeachtet der Amplitude
des angelegten Magnetfelds (88).
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Wenn
der Speicherpunkt (92), der ebenfalls einen der zu sperrenden
Speicherpunkte bildet, von dem nur die Schicht (73) in 5d dargestellt
ist, eine makroskopische Magnetisierung (80) in der gleichen
Richtung wie der zu beschreibende Speicherpunkt (90) besitzt,
verläuft
das Magnetfeld (88) entgegengesetzt zu der Magnetisierung
(80) im Ruhezustand, es besteht also die Gefahr eines fehlerhaften Schreibens.
Man sperrt dann das Beschreiben des Speicherpunkts (92)
durch das folgende Verfahren: Wie in 6a zu
sehen ist, wo nur die Schicht (73) des Speicherpunkts (92)
dargestellt ist, erwärmt
man ausgehend von der Temperatur im Ruhezustand (100) des
Speicherpunkts unterhalb der Ausgleichstemperatur (83),
wobei vor dem Schicken von Stromimpulsen in die Leitungen (74)
und (75) das Öffnen des
Transistors (76), der dem Speicherpunkt (92) entspricht,
durch Schicken eines Stromimpulses in die entsprechende Leitung
(77) gesteuert wird, den Speicherpunkt (92) auf
eine Temperatur (101) über der
Ausgleichstemperatur (83) der entsprechenden Schicht (73).
Aufgrund der spezifischen Eigenschaften der AAF-Legierungen hat
das Überschreiten
der Ausgleichstemperatur (83) zur Folge, daß die makroskopische
Magnetisierung (80) des Speicherpunkts (92) umgekehrt
wird, da die relativen Anteile der Magnetisierung des Unternetzes
der Atome von seltener Erde (81) und der Magnetisierung
des Unternetzes der Atome von Übergangsmetall
(82) sich invertieren. Durch diese Erwärmungsprozedur verläuft die makroskopische
Magnetisierung (80) des zu sperrenden Speicherpunkts (92)
jetzt in der entgegengesetzten Richtung zu derjenigen, die sie vor
der Erwärmung
hatte, und das Schreib-Magnetfeld (88), das durch die Leiter
(74) und (75) generiert wird, ist jetzt ein stabilisierendes
Feld: die Magnetisierung des Speicherpunkts wird nicht umgekehrt.
Wenn das Beschreiben des ausgewählten
Speicherpunkts (90) beendet ist, stoppt man zunächst das
Schreibfeld (88), indem der Strom in den Leitern (74)
und (75) abgeschaltet wird, dann wird die Erwärmung des
zu sperrenden Speicherpunkts (92) abgestellt. Die entsprechende
Schicht (73) kühlt
sich auf unterhalb ihrer Ausgleichstemperatur ab und kehrt in ihren
anfänglichen
Magnetisierungszustand auf die Temperatur (102) unterhalb
der Ausgleichstemperatur (83) zurück, wie in 6c zu
sehen ist, in der nur die Schicht (73) dargestellt ist.
Somit wird durch diese Prozedur das Beschreiben des Speicherpunkts
(92) gesperrt, obwohl die Richtung und die Amplitude des
Schreibfelds (88) einem Schreibfeld entsprochen haben.
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Das
Interessante an dieser Sperrtechnik besteht darin, alle potentiellen
Adressierungsfehler zu eliminieren, da das Schreibfeld ein Feld
ist, das über alle
Speicherpunkte ohne Rücksicht
auf ihren Magnetisierungszustand im Ruhezustand stabilisierend ist,
ausgenommen über
dem ausgewählten
Speicherpunkt, für
den es weit über
dem durchschnittlichen Umkehrfeld liegen kann. Die Adressierungsfehler
sind daher unmöglich.
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Vorteilhafterweise
ermöglicht
diese Adressierungstechnik durch Sperren ebenfalls das gleichzeitige
Beschreiben von mehreren Speicherpunkten, weil die Auswahl durch
die Sperrung der anderen Speicherpunkte ausgeführt wird. Der Schreibprozess kann
vorteilhafterweise auf zwei Stufen reduziert werden: das gleichzeitige
Beschreiben der Gesamtheit der Speicherpunkte in einer vorgegebenen
Richtung, indem alle entsprechenden Leiter gesättigt und die Speicherpunkte
in der entgegengesetzten Richtung gesperrt werden, und das gleichzeitige
Beschreiben der Gesamtheit der Speicherpunkte in der anderen Richtung,
indem die Auswahlen für
das Schreiben, (ebenso wie für
das Vorzeichen des Schreibstroms), und für das Erwärmen invertiert werden. Über diesen
Ansatz maximiert man die globale Schreibgeschwindigkeit des Speichers.
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Vorteilhafterweise
kann der Heizstrom über ein
externes Heizelement erhalten werden, das in 3 nicht
dargestellt ist.
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Vorteilhafterweise
verwendet die Struktur des Speichers nur einen einzigen Erregerleiter,
und da die Amplitude des Schreibfelds (88) nicht mehr das
Auswahlkriterium des zu beschreibenden Speicherpunkts ist, ist es
nicht mehr notwendig, zwei gekreuzte Leiter zu verwenden, nur um
den zu beschreibenden Speicherpunkt an ihrer Schnittstelle auszuwählen. In
diesem Fall wird der Speicher aus einem einzigen (oberen) Felderregerleiter
(74) und einem (unteren) Steuerleiter (77) der
Heiztransistoren gebildet. Diese Architektur ermöglicht es, den unteren Erregerleiter
(75) wegzulassen, wodurch es ermöglicht wird, die Dimension
der elementaren Zelle zu minimieren, da die Transistor-Steuerleitung
(77) in Bezug auf den Speicherpunkt (70) nicht
mehr verschoben werden muß,
um das Hindurchführen
der unteren Stromleitung (75) zu ermöglichen. Die Integrationsmöglichkeiten
werden dadurch tatsächlich erweitert
und die Herstellungsverfahren vereinfacht.