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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum
Bilden einer Umhüllungsschicht
in einem oberen Leiter, die insbesondere sinnvoll ist mit magnetischen
RAM-Strukturen, und auf eine Magnetspeichervorrichtung mit einer
Umhüllungsstruktur
um den oberen Leiter.
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Ein
Magnetspeicher, wie z. B. ein magnetischer Direktzugriffsspeicher
(MRAM) umfasst typischerweise ein Array von Magnetspeicherzellen. Jede
Magnetspeicherzelle umfasst normalerweise eine Erfassungsschicht
und eine Referenzschicht. Die Erfassungsschicht ist normalerweise
eine Schicht oder ein Film aus Magnetmaterial, das Magnetisierungsmuster
in Ausrichtungen speichert, die durch das Anlegen externer Magnetfelder
geändert werden
können.
Die Referenzschicht ist normalerweise eine Magnetfeldschicht, in
der die Magnetisierung in einer bestimmten Richtung fest oder „festgelegt" ist. Der Magnetspeicher
kann so beschrieben werden, dass derselbe eine Anzahl von Bitleitungen umfasst,
die durch eine Anzahl von Wortleitungen gekreuzt werden. An jeder
Schnittstelle ist ein dünner Film
aus magnetisch koerzitivem Material zwischen der entsprechenden
Wortleitung und der Bitleitung angeordnet. Das Magnetmaterial an
jeder Schnittstelle bildet eine Magnetspeicherzelle, in der ein
Informationsbit gespeichert ist.
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Der
logische Zustand der Magnetspeicherzelle hängt typischerweise von ihrem
Widerstandswert gegenüber
elektrischem Stromfluss ab. Der Widerstandswert einer Magnetspeicherzelle
hängt von den
relativen Magnetisierungsausrichtungen in ihren Erfassungs- und
Referenzschichten ab. Eine Magnetspeicherzelle ist typischerweise
in einem niederohmigen Zustand, falls die Gesamtmagnetisierungsausrichtung
in ihrer Erfassungsschicht parallel zu der Magnetisierungsausrichtung
in ihre Referenzschicht ist. Im Gegensatz dazu ist eine Magnetspeicherzelle typischerweise
in einem hochohmi gen Zustand, falls die Gesamtmagnetisierungsausrichtung
in ihrer Erfassungsschicht antiparallel zu der Magnetisierungsausrichtung
in ihrer Referenzschicht ist.
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Es
ist wünschenswert,
die Größe zu reduzieren
und die Packungsdichte Speicherzellen zu erhöhen, um eine wesentliche Dichte
zu erreichen. Eine Anzahl von konkurrierenden Faktoren beeinflussen die
Packungsdichte, die für
einen solchen Speicher erreicht werden kann. Ein erster Faktor ist
die Größe der Speicherzellen.
Die Größe der Speicherzelle muss
sich typischerweise mit erhöhter
Packungsdichte verringern.
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Das
Reduzieren der Größe der Speicherzelle
erhöht
jedoch das Feld, das erforderlich ist, um die Magnetisierungsausrichtung
der Erfassungsschicht zu schalten.
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Ein
zweiter Faktor ist die Breite und Dicke der Wort- und Bitleitungen.
Die Abmessungen der Wort- und Bitleitungen müssen sich typischerweise mit
erhöhter
Packungsdichte verringern. Das Reduzieren der Abmessungen der Wort-
und Bitleitungen reduziert jedoch den Strom, der durch dieselben
aufgenommen werden kann, und somit das Magnetfeld an der entsprechenden
Magnetbitregion.
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Ein
dritter Faktor ist der Abstand zwischen den Wort- und Bitleitungen
und somit der Abstand zwischen benachbarten Speicherzellen. Typischerweise
muss sich der Abstand zwischen Wort- und Bitleitungen mit erhöhter Packungsdichte
verringern. Dies erhöht
jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass das Magnetfeld, das durch eine
Leitung erzeugt wird, die Informationen, die in einer benachbarten
Speicherzelle gespeichert sind, nachteilig beeinträchtigen kann.
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Es
wurde erkannt, dass es vorteilhaft wäre, einen Magnetspeicher mit
Schreibleitern zu entwickeln, die verbesserte Schreibfelder erzeugen.
Außerdem
wurde erkannt, dass es vorteilhaft wäre, ein Magnetfeld mit Flussverriegelungs strukturen
zu entwickeln, die Unterbrechungen der Magnetisierung verhindern.
Außerdem
wurde erkannt, dass es vorteilhaft wäre, ein Verfahren zum Herstellen
solcher Leiterstrukturen zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurde erkannt,
dass es vorteilhaft wäre,
die oberen Leiter des Magnetspeichers zu umhüllen.
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Die
WO00/72324 (Honeywell, Inc.,) offenbart einen monolithisch gebildeten
ferromagnetischen Speicher, der zumindest an den Seiten der ausgewählten Magnetspeicherelemente
eine lokale Abschirmung aufweist.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Umhüllen von
zumindest zwei Seiten eines Leiters für eine Speichervorrichtung
in ferromagnetischem Material gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
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Die
Erfindung liefert ein Verfahren zum Umhüllen von zwei oder drei Seiten
eines oberen Leiters in ferromagnetischem Material für eine magnetische RAM-Struktur.
Die Speichervorrichtung kann auf einem Substrat vorgesehen sein
mit einem unteren Leiter, der ebenfalls umhüllt ist. Das Verfahren umfasst
das Bilden eines Grabens über
der Speichervorrichtung in einer isolierenden Beschichtungsschicht,
die über
der Speichervorrichtung und dem Substrat gebildet ist. Der Graben
umfasst Seitenwände,
die durch die Beschichtungsschicht gebildet werden und eine Unterseite,
die durch eine obere Oberfläche
der Speichervorrichtung gebildet sein kann. Ein erstes ferromagnetisches
Material wird auf der Beschichtungsschicht und insbesondere entlang
den Seitenwänden
des Grabens aufgebracht. Alles erste ferromagnetische Material,
das in der Unterseite des Grabens aufgebracht ist, wird entfernt.
Ein Leitermaterial wird in dem Graben und auf der Beschichtungsschicht
aufgebracht. Nach Wunsch wird jeder Leiter oder alles ferromagnetische
Material auf der Beschichtung später
entfernt. Somit sind zumindest die zwei Seiten des Leiters in dem
ferromagneti schen Material umhüllt.
Außerdem
kann auch eine Unterseite des Leiters umhüllt sein.
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Ein
zweites ferromagnetisches Material kann über dem Leitermaterial in dem
Graben aufgebracht sein, um eine Umhüllung aus dem ferromagnetischen
Material um die Seiten und die Oberseite des Leiters zu bilden.
Das zweite ferromagnetische Material kann auch auf dem ersten ferromagnetischen
Material entlang den Seitenwänden
des Grabens aufgebracht sein, um eine fortlaufende Umhüllung zu
bilden. Ferner kann die obere Oberfläche des Leiters vor dem Aufbringen
des zweiten ferromagnetischen Materials ausgenommen werden.
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Der
Schritt des Entfernens des ersten ferromagnetischen Materials von
der Unterseite des Grabens kann Ionenätzen des ferromagnetischen
Materials umfassen, um das ferromagnetische Material entlang den
Seitenwänden
des Grabens zu belassen.
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Der
Schritt des Entfernens des Leiter- oder ferromagnetischen Materials
von der Beschichtungsschicht umfasst vorzugsweise das Polieren des
Leitermaterials, wie z. B. mit einem chemisch-mechanischen Polierprozess.
Der Schritt des Polierens des Leitermaterials umfasst vorzugsweise
das Erzeugen einer Einkerbung oder Ausnehmung in dem leitfähigen Material
in dem Graben, das sich zu einer Erhöhung unter einer oberen Oberfläche der
Beschichtungsschicht erstreckt.
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Zusätzliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden detaillierten
Beschreibung aufgeführt,
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die zusammen beispielhaft
die Merkmale der Erfindung darstellen.
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1 ist
eine Querschnittseitenansicht einer Magnetspeichervorrichtung, die
einen oberen Leiter mit einem unteren Leiter gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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2 ist
eine Querschnittsrückansicht
senkrecht zu der Querschnittseitenansicht der Magnetspeichervorrichtung
von 1, die einen unteren Leiter zeigt; und
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3A bis 3I sind
Querschnittseitenansichten, die ein Verfahren zum Bilden einer ferromagnetischen
Umhüllung über eine
Oberseite und Seiten einer Magnetspeichervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen.
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Um
das Verständnis
der Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird nun auf beispielhafte
Ausführungsbeispiele
Bezug genommen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, und bestimmte
Sprache wird verwendet, um dieselben zu beschreiben. Es ist trotzdem
klar, dass dadurch keine Beschränkung
des Schutzbereichs der Erfindung beabsichtigt ist. Alle Änderungen
und weitere Modifikationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die hierin dargestellt
sind, und alle zusätzlichen
Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie sie hierin dargestellt
sind, die einem Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich werden,
der diese Offenbarung besitzt, sollen als innerhalb des Schutzbereichs
der Erfindung angesehen werden.
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Wie
es in 1 und 2 dargestellt ist, ist eine
herkömmliche
Magnetspeichervorrichtung oder -zelle oder ein Teil einer magnetischen
RAM-Struktur, die allgemein mit 10 angezeigt ist, mit einer
oberen und einer unteren Struktur oder Umhüllung 14 und 16 zum
Verbessern des Schreibfelds und/oder Stabilisieren der Magnetspeicherzelle 10 gezeigt.
Die Strukturen 14 und 16 umhüllen den oberen und den unteren
Leiter 18 und 20, die zusammen einen Weg für einen
elektrischen Stromfluss während
Lese- und Schreiboperationen in der Magnetspeicherzelle 10 liefern.
Ein Verfahren zum Herstellen der unteren Struktur 14 ist
in dem U.S.-Patent
Nr. 2002055140 oder EP1120790 beschrieben. Außerdem sind solche Umhüllungsstrukturen
in dem U.S.-Patent Nr. 5,956,267 beschrieben. Vorteilhafterweise
ist ein Verfahren zum Herstellen der oberen Struktur oder Umhüllung 16 in 3A–3I gezeigt
und nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt
eine Querschnittseitenansicht der Umhüllungsstrukturen 14 und 16,
der Leiter 18 und 29 und der Magnetspeicherzelle 10 in
einer Richtung parallel zu der Länge
des unteren Leiters 18. 2 zeigt
eine Querschnittseitenansicht der Umhüllungsstruktur 14 und
die Magnetspeicherzelle 10 in einer Richtung senkrecht
zu der Länge
des unteren Leiters 18.
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Mit
Bezugnahme auf 2 umfasst die Magnetspeicherzelle 10 vorzugsweise
eine Erfassungsschicht 28, die zwischen zwei Magnetzuständen geändert werden
kann, und eine Referenzschicht 32, die eine eingestellte
oder „festgelegte" Magnetisierungsausrichtung
aufweist. Außerdem
umfasst die Magnetspeicherzelle 10 eine Tunnelbarriere 36 zwischen
der Erfassungsschicht 28 und der Referenzschicht 32.
Die Erfassungs- und die Referenzschicht 28 und 32 können auf
jeder Seite der Barriere 36 angeordnet sein oder können ausgetauscht
werden.
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Die
Magnetspeicherzelle 10 kann eine Spintunnelvorrichtung
sein, in der eine elektrische Ladung während Leseoperationen durch
die Tunnelbarriere 36 wandert. Diese Wanderung einer elektrischen
Ladung durch die Tunnelbarriere 36 tritt auf, wenn eine
Lesespannung an die Magnetspeicherzelle 10 angelegt wird.
Alternativ kann in der Magnetspeicherzelle 10 eine Giant-Magnetoresistenz-(GMR-)Struktur
verwendet werden, in der die Tunnelbarriere 36 durch einen
Leiter ersetzt ist, wie z. B. Kupfer.
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Wie
es oben angemerkt wurde, zeigen die 3A–3I ein
Verfahren zum Umhüllen
von drei Seiten eines Leiters der Speichervorrichtung 10 in
einem ferromagnetischen Material. Vorzugsweise umfasst das Verfahren
das Umhüllen
einer oberen und gegenüberliegenden
Seiten des oberen Leiters 20. Mit Bezugnahme auf 3A ist
die Speichervorrichtung oder die magnetische RAM-Struktur 10 vorzugsweise
von einem Substrat vorgesehen, wie es nachfolgend näher erörtert wird.
Das Substrat umfasst den unteren Leiter 18 und die untere
Struktur oder Umhüllung 14.
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Mit
Bezugnahme auf 3B ist eine isolierende Beschichtungsschicht 40 vorzugsweise über der
Speichervorrichtung 10 aufgebracht. Die Beschichtungsschicht 40 kann
ein Oxid, ein Nitrid oder dergleichen sein. Außerdem ist eine Isolationsdielektrikschicht 42 vorzugsweise
zwischen der Beschichtungsschicht 40 und dem Substrat 18 angeordnet, wie
z. B. durch Aufbringen der Isolationsdielektrikschicht 42 über dem
Substrat vor dem Aufbringen der Beschichtungsschicht 40.
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Mit
Bezugnahme auf 3C ist ein Graben 46 in
der Beschichtungsschicht 40 über der Speichervorrichtung 10 und
dem Substrat gebildet. Der Graben 46 hat Seitenwände 50 und
eine Unterseite 54. Der Graben kann gebildet werden durch
reaktives Ionenätzen,
auf eine Weise, die in der Technik bekannt ist. Der Graben 46 kann
durch die Seitenwände 50 der
Beschichtungsschicht 40 und eine Oberseite der Speichervorrichtung 10 gebildet
werden.
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Mit
Bezugnahme auf 3D wird ein ferromagnetisches
Umhüllungsmaterial 58 einer
ersten Schicht desselben entlang den Seitenwänden 50 des Grabens 46 aufgebracht.
Das ferromagnetische Material 58 kann Nickeleisen (NiFe)
oder dergleichen sein.
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Das
ferromagnetische Material 58 kann auch auf der Unterseite 54 des
Grabens 46 über
der Speichervorrichtung 10 aufgebracht sein, und auf der
Beschichtungsschicht 40, während dem Aufbringungsprozess.
Mit Bezugnahme auf 3E wird das ferromagnetische
Material 58 von der Unterseite 54 des Grabens 46 und
von der Beschichtungsschicht 40 ent fernt, während das
ferromagnetische Material 58 entlang den Seitenwänden 50 belassen
wird. Das Entfernen des ferromagnetischen Materials 58 kann durch
anisotropes reaktives Ionenätzen
oder Ionenfräsen
auf eine Weise erreicht werden, die in der Technik bekannt ist.
Alternativ kann das ferromagnetische Material 58 über der
Speichervorrichtung 10 belassen werden.
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Mit
Bezugnahme auf 3F ist ein Leitermaterial oder
eine Schicht 62 in dem Graben 46 über der Speichervorrichtung 10 und über dem
ferromagnetischen Material 58 aufgebracht. Das Leitermaterial 62 kann
Kupfer sein und kann durch Aufbringen eines leitfähigen Keims
und Elektroplattieren von Kupferleitermaterial aufgebracht werden.
Alternativ kann der Leiter durch physikalische Aufdampfung aufgebracht werden.
Das Leitermaterial 62 kann auch während der Aufbringung auf der
Beschichtungsschicht 40 aufgebracht werden.
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Mit
Bezugnahme auf 3G kann alles Leitermaterial 62 oder
ferromagnetische Material 58 über der Beschichtungsschicht 40 entfernt
werden. Außerdem
wird das Leitermaterial 62 vorzugsweise von einem oberen
Abschnitt 66 des Umhüllungsmaterials 58 entlang
den Seitenwänden 50 entfernt.
Das Leitermaterial 62 kann durch chemisch-mechanisches
Polieren entfernt werden. Das Aufbringen des Beschichtungsmaterials 62 bildet
den Leiter 20. Eine Wölbung 70,
eine Ausnehmung oder Einkerbung kann in dem Leitermaterial 62 über der
Magnetspeichervorrichtung 10 gebildet werden, die sich
zu einer Erhöhung
unter einer oberen Oberfläche
der Beschichtungsschicht 40 erstreckt. Die Wölbung 70 trägt dazu
bei, eine fortlaufende Umhüllungsschicht zu
bilden, wie es nachfolgend erörtert
wird. Die Wölbung 70 kann
durch chemisch mechanisches Polieren, chemisches Ätzen oder
Ionenätzen
gebildet werden.
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Mit
Bezugnahme auf 3H wird ein ferromagnetisches
Material 74 oder eine zweite Schicht desselben über das leitfähige Material 62 in
dem Graben 46 aufgebracht, und auf dem oberen Abschnitt 66 des
ferromagnetischen Materials 58 entlang den Seitenwänden 50 des
Grabens 46. Das ferromagnetische Material 74 kann
auch während
dem Aufbringungsprozess über
der Beschichtungsschicht 40 aufgebracht werden.
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Mit
Bezugnahme auf 3I kann alles ferromagnetische
Material 74, das auf der Beschichtungsschicht 40 aufgebracht
ist, entfernt werden, wie z. B. durch chemisch mechanisches Polieren,
wie es in der Technik bekannt ist. Das ferromagnetische Material 58 entlang
den Seitenwänden 50 und
das ferromagnetische Material 74 über dem Leitermaterial 62 bilden
eine fortlaufende Umhüllung
oder Struktur 16 des ferromagnetischen Materials um drei
Seiten des Leiters 20. Alternativ können zwischen dem ferromagnetischen
Material 58 entlang den Seitenwänden des Grabens und dem ferromagnetischen
Material 74 über
dem Leiter kleine Zwischenräume
existieren.
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Das
ferromagnetische Material kann einen Magnetfilm mit hoher Permeabilität oder einen
harten ferromagnetischen Film umfassen.
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Wie
es oben mit Bezugnahme auf 2 angemerkt
wurde, kann die Magnetspeicherzelle 10 eine Erfassungsschicht 28 umfassen,
die einen veränderlichen
Magnetisierungszustand aufweist, und eine Referenzschicht 32,
die eine festgelegte Magnetisierungsausrichtung aufweist. Außerdem umfasst die
Magnetspeicherzelle 10 eine Tunnelbarriere 36 zwischen
der Erfassungsschicht 28 und der Referenzschicht 32.
Erneut sind die Position der Erfassungs- und Referenzschicht austauschbar.
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Ein
Vorteil der Umhüllungsstruktur 14 oder 16 ist,
dass dieselben den elektrischen Strompegel reduzieren, der benötigt wird,
um die Magnetspeicherzelle 10 auf einen gewünschten
logischen Zustand zu schreiben. Die Umhüllungs struktur ist analog zu
einem Elektromagnet mit einer Windung. Elektrischer Strom, der durch
den Leiter 18 fließt,
dreht die Magnetisierung der Umhüllungsstruktur
von ihrem Ruhezustand entlang ihrer Länge zu einer Richtung senkrecht
zu der Richtung des elektrischen Stromflusses gemäß der Rechte-Hand-Regel.
Dies erzeugt ein Magnetfeld, das mit der Erfassungsschicht 28 in
der Magnetspeicherzelle 10 interagiert und sinnvoll ist
zum Drehen der Magnetisierung in der Erfassungsschicht 28 bezüglich der
festgelegten Referenzschicht 32 der Magnetspeicherzelle 10.
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Eine
Reduktion bei dem elektrischen Strompegel, der benötigt wird,
um die Magnetspeicherzelle 10 zu schreiben, ist wünschenswert,
weil dies den Leistungsverbrauch in einem Magnetspeicher, wie z. B.
einem MRAM, verringert. Eine Reduktion beim Leistungsverbrauch ist
besonders vorteilhaft für
tragbare Anwendungen. Außerdem
reduziert eine Reduktion bei dem elektrischen Strompegel, der benötigt wird,
um die Magnetspeicherzelle 10 zu schreiben, die integrierte
Schaltungschipfläche,
die durch die Leistungstransistoren verbraucht wird, die Schreibströme liefern,
was die Kosten des Magnetspeichers verringert.
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Außerdem dient
die Umhüllungsstruktur 14 oder 16 vorzugsweise
als ein Magnetanker zum Beibehalten des magnetischen Zustands der
Erfassungsschicht 28. Die Umhüllungsstruktur kann ein weiches
magnetisches Material sein, das einen Mechanismus für Flussverriegelung
liefert und dadurch die Bildung von Entmagnetisierungsfeldern in
den Randregionen verhindert.
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Die
enge Nähe
der Umhüllungsstruktur
zu der Magnetspeicherzelle 10 reduziert oder eliminiert Entmagnetisierungsfelder,
die bei einem Nicht-Vorliegen der Umhüllungsstruktur erzeugt worden
wären. Diese
Felder werden durch die Umhüllungsstruktur gerichtet
und liefern einen Weg für
einen Fluss, der im wesentlichen die Entmagnetisierungsfelder reduziert,
die von der Erfassungsschicht 28 der Magnetspei cherzelle 10 stammen.
Dies verhindert, dass die Gesamtmagnetisierung in der Erfassungsschicht 28 der
Magnetspeicherzelle 10 von der gewünschten parallelen und antiparallelen
Richtung bezüglich
der festgelegten Referenzschicht 32 in der Magnetspeicherzelle 10 streut.
Die Umhüllungsstruktur
stabilisiert die Magnetspeicherzelle 10, da dieselbe die
Stabilität
der hoch- und niederohmigen Zustände
zum Speichern eines Datenbits verbessert.
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Es
ist selbstverständlich
klar, dass der Magnetspeicher ein Array von Magnetspeicherzellen
umfassen kann, die die Magnetspeicherzelle 10 umfassen,
zusammen mit zusätzlichen
Magnetspeicherzellen. Der Magnetspeicher kann eine Anordnung von Leitern
umfassen, die Lese- und Schreibzugriff zu den Magnetspeicherzellen
ermöglichen.
Außerdem können ein
Array oder Umhüllungsleiter
vorgesehen sein.
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Das
Umhüllen
des oberen Leiters 20 liefert ein etwa zwei oder drei Mal
größeres Feld
von dem oberen Leiter 20 zum Schalten von MRAM-Strukturen,
als ohne Umhüllen
für einen
bestimmten Strom erhalten worden wäre. Außerdem ermöglicht alternativ die obere
Magnetankerstruktur 16 eine wesentliche Reduktion des Stromflusses
zum Erreichen eines bestimmten Magnetfelds.
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Es
ist klar, dass die oben beschriebenen Anordnungen nur darstellend
sind für
die Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Zahlreiche
Modifikationen und alternative Anordnungen können durch einen Fachmann auf
diesem Gebiet entwickelt werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung abzuweichen und die angehängten Ansprüche sollen solche Modifikationen
und Anordnungen abdecken. Obwohl die vorliegende Erfindung in den
Zeichnungen gezeigt wurde und oben vollständig, genauestens und in Einzelheiten
beschrieben wurde in Verbindung mit dem, was derzeit als praktischste(s)
und bevorzugte(s) Ausführungsbeispiel(e)
der Erfindung angesehen wird, ist es somit für einen Durchschnittsfachmann
auf diesem Gebiet klar, dass zahlreiche Modifikationen, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf, Variationen bei der Größe, Materialien,
Form, Gestalt, Funktion und Funktionsweise, Zusammenbau und Verwendung durchgeführt werden
können,
ohne von den Prinzipien und Konzepten der Erfindung abzuweichen,
wie sie in den Ansprüchen
aufgeführt
sind.