DE69735780T2

DE69735780T2 - Ferromagnetischer Speicher vom fip-flop Typ

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Publication number: DE69735780T2
Application number: DE69735780T
Authority: DE
Inventors: James M. Eden Prairie Daughton; Brenda A. Minneapolis Everitt; Arthur V. Ames Pohm
Original assignee: NVE Corp
Current assignee: NVE Corp
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2017-11-08
Also published as: DE69719534D1; JP2002515183A; DE69719534T2; EP0937302A4; WO1998020496A1; EP0937302B8; EP0937302B1; CA2269539A1; EP0937302A1; DE69735780D1; US6021065A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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 Informationsspeicherung 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 Größen- bzw. Betragscharakteristik 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 be trächtlich 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 bzw. Schichten 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 Magne tisierung 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 K_u1 und K_u2 Anisotropiekonstanten, A₁₂ ist die Austauschkonstante, M_s1 und M_s2 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 ferromagnetische 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 derarti ges 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 Seriennummer 08/923,478, die an den Anmelder dieser Erfindung übertragen wurde, beschrieben.
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.
Die US-A-4 751 677 beschreibt eine ferromagnetische Speicherzelle (4) des Flip-Flop-Typs mit einem Paar von ferromagnetischen Bitstrukturen (7, 8) als Lastvorrichtungen, mit einem Paar von Transistoren als Schaltvorrichtungen (42', 43') und mit einer Wortleitung (20 in 2) über beiden ferromagnetischen Bitstrukturen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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 5A und 5B gezeigt.
Die vorliegende Erfindung liefert einen ferromagnetischen Speicher gemäß Anspruch 1.
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 5B und 5C 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 erweiter ten 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 isolierende 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 freilie genden 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 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 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 Passivierungsund 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 ausreichend 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 bzw. der Betrag 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 Dünnfilmschichten 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, darge stellt 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 wiederzugewinnen, 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 = 8,85·10–18·8·10–6 A/sermittelt 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 10⁴ bis 10⁹ Ω. Der Widerstand dieses Abschnitts der Sperrschicht kann durch
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.
5A 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 5A, 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 5B 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 5C 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.

Claims

Eine auf einem ferromagnetischen Dünnfilm basierende Digitalspeicherschaltung, wobei die Schaltung folgende Merkmale aufweist: ein Paar von Schaltvorrichtungen (100, 101), die jede eine erste und eine zweite Abschlussregion und eine Steuerregion aufweisen, durch die diese Schaltvorrichtung gerichtet werden kann, um einen leitfähigen Weg zwischen der ersten und der zweiten Abschlussregion dieser Schaltvorrichtung mit einer ausgewählten Leitfähigkeit zu liefern; ein Paar von Lastvorrichtungen (104, 105, 104', 105'), die jede in der Lage sind, einen Strom hindurch zu leiten, um zu einem Spannungsabfall darüber zu führen, und die jede elektrisch in Reihe mit der zweiten Abschlussregion einer entsprechenden des Paars von Schaltvorrichtungen (100, 101) und einer Verbindungseinrichtung (103) geschaltet sind, die für eine elektrische Verbindung mit einer Quelle einer elektrischen Energieversorgung geeignet ist, wobei das Paar von Lastvorrichtungen (104, 105, 104', 105') jede auch mit einer Steuerregion dieser einen des Paars von Schaltvorrichtungen (100, 101) gekoppelt ist, die sich derjenigen gegenüber befindet, mit der dieselbe elektrisch in Reihe geschaltet ist; ein Paar von Bitstrukturen (17, 17), die jede mit einer entsprechenden des Paars von Lastvorrichtungen (104, 105, 104', 105') oder mit der zweiten Abschlussregion einer entsprechenden des Paars von Schaltvorrichtungen (100, 101) gekoppelt sind und angeordnet sind, um zu Spannungen unterschiedlichen Werts an den Steuerregionen des Paars von Schaltvorrichtungen (100, 101) für ausgewählte Zunahmen des Spannungsbetrags an der Verbindungseinrichtung (103) zu führen, wobei die Bitstrukturen (17) folgende Merkmale aufweisen: eine nicht magnetische Zwischenschicht (14), wobei die Zwischenschicht zwei Hauptoberflächen an gegenüberliegenden Seiten derselben aufweist, und einen Speicherfilm (12, 13, 12', 13') aus einem anisotropen ferromagnetischen Material an jeder der Zwischenschichtoberflächen, der Umschaltschwellen für Magnetisierungen des Films aufweist, der benachbart zu jeder der Hauptoberflächen der Zwischenschicht (14) ist, die sich im Wert für ein Umschalten dieser Magnetisierungen davon, dass beide anfangs zumindest teilweise im Wesentlichen in eine gemeinsame Richtung gerichtet sind, dazu, dass dieselben zumindest teilweise in im Wesentlichen entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind, gegenüber einem Umschalten davon, dass dieselben anfangs zumindest teilweise in im Wesentlichen entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind, dazu, dass beide zumindest teilweise in im Wesentlichen eine gemeinsame Richtung gerichtet sind, unterscheiden; und ein Paar von Wortleitungsstrukturen (22, 22'), die jede ein Paar von Wortleitungsendabschlussregionen aufweisen, die angepasst sind, um einen elektrischen Strom in zumindest einer Richtung hindurch zu leiten, wobei jedes der Paare von Wortleitungsendabschlussregionen einen elektrischen Leiter aufweist, der elektrisch dazwischen geschaltet ist, der über eine elektrisch isolierende Schicht (21) von dem Speicherfilm (12, 13, 12', 13') an einer der Hauptoberflächen der Zwi schenschicht (14) einer entsprechenden der Bitstrukturen angeordnet ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jede des Paars von Bitstrukturen (17, 17) elektrisch zwischen eine des Paars von Lastvorrichtungen (104, 105) und eine Steuerregion einer des Paars von Schaltvorrichtungen (100, 101) geschaltet ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Zwischenschicht (14) aus einem elektrisch isolierenden Material ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jede des Paars von Bitstrukturen (17, 17) elektrisch zwischen eine des Paars von Lastvorrichtungen (104', 105') und eine zweite Abschlussregion von einer des Paars von Schaltvorrichtungen (100, 101) geschaltet ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jede des Paars von Bitstrukturen (17, 17) elektrisch mit einer ersten Abschlussregion von einer des Paars von Schaltvorrichtungen (100, 101) verbunden ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der eine Bitstruktur (17) eine Länge entlang einer ausgewählten Richtung und eine Breite aufweist, die dazu im Wesentlichen senkrecht ist und die in ihrer Erstreckung kleiner als die Länge ist, wobei der Speicherfilm (12, 13, 12', 13') in einer Bitstruktur (17) durch ein Anisotropiefeld gekennzeichnet ist, und wobei die Breite ausreichend klein ist, so dass Entmagnetisierungsfelder, die in dem Speicherfilm (12, 13, 12', 13') ansprechend darauf entstehen, dass seine Sättigungsmagnetisierung entlang dieser Breite ausgerichtet ist, in ihrem Betrag das Anisotropiefeld übersteigen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der eine Bitstruktur (17) eine Länge entlang einer ausgewählten Richtung und eine Breite aufweist, die dazu im Wesentlichen senkrecht ist und die in ihrer Erstreckung kleiner als die Länge ist und einen geformten Endabschnitt aufweist, der sich über einen Abschnitt der Länge erstreckt, bei dem die Breite sich an einem Ende desselben allmählich auf Null reduziert.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Speicherfilm (12, 13, 12', 13') an jeder der Hauptoberflächen der Zwischenschicht (14) von zumindest einer der Bitstrukturen (17) derart angeordnet ist, dass zwei getrennte Filme (12, 13; 12', 13') vorliegen, wobei sich einer der getrennten Filme an jeder der Hauptoberflächen befindet, und die Zwischenschicht (14) auch aus einer elektrisch isolierenden Art von Material ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Bitstruktur (17) eine Länge entlang einer ausgewählten Richtung und eine Breite aufweist, die im Wesentlichen senkrecht dazu ist und die in ihrer Erstreckung kleiner als die Länge ist, wobei die Breite weniger als etwa zwei Kräusellängen der getrennten Filme (12, 13; 12', 13') von Kanten davon ist, die zu der Breite im Wesentlichen senkrecht sind.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der der Speicherfilm (12, 13; 12', 13') an jeder der Hauptoberflächen der Zwischenschicht (14) von zumindest einer der Bitstrukturen (17) ein zusammengesetzter Film ist, der eine dünnere Schicht von größerer Magnetsättigungsinduktion benachbart zu der Zwischenschicht und eine dickere Schicht von kleinerer Magnetsättigungsinduktion aufweist.