存儲器存取的制作方法

專利名稱：存儲器存取的制作方法
技術領域：
本發明涉及存儲器存取，并且特別地但是不排他地涉及寫入數據 到磁性邏輯設備中以及從其中讀出數據。
背景技術：
將多種存儲介質用于多種應用的各種數據存儲設備已經在最近幾 年中變得可用。不同的數據存儲設備在功能上針對不同的存儲需求。 因此對于多種可選特征的一些，例如容量、寫入/重寫能力、穩定性/ 完整性(具有或不具有電源)、尺寸、堅固性、便攜性等，采用數據 存儲的各種不同技術。已知的數據存儲設備包括磁帶存儲器、磁性硬盤存儲器以及光盤 存儲器。所有都提供良好存儲容量和相對快速的數據存取的優點，并 且所有都可以適用于數據的寫入和重寫。所有都需要電動機械或光學 讀出器的形式的運動部件。這可以限制包含這種數據存儲介質的設備 可以縮小到的程度，并且限制設備在高振動環境中的使用。雖然在每 種情況下，表面介質是數據存儲的關鍵，涉及的機制也需要任何支持 襯底的性質的仔細控制。因此，這種設備必須具有仔細控制的構造。 而且，所有都需要讀出器具有對設備表面的存取，這可以限制設備的 設計自由度。其他已知數據存儲設備包括固態電存儲器例如閃速存儲器。這些典型地是EERPOM (電可擦除可編程只讀存儲器)的某種形式，但 是這些遭受與有限的寫持久性和寫等待時間相關聯的問題。特別地， 在可靠性和性能退化發生之前，閃速存儲器具有高達大約1000次寫 操作的壽命周期。而且，閃速存儲器的寫等待時間高，因為需要充電 大電容用于數據存儲。另外，閃速存儲器具有大約40Mbit/mm2(大約25Gbit/in2)的存儲密度限制。 發明內容本發明至少部分地考慮到常規系統的問題和缺點而創造。 從第一方面看，本發明提供一種磁性存儲設備，其可操作以存儲 從不具有到磁性存儲電路的直接物理連接的電氣電路寫入的數據。 從另一個方面看，本發明提供一種高密度固態磁性存儲設備。 從另一個方面看，本發明提供一種不具有運動部件的磁性存儲設備。從另一個方面看，本發明提供一種使用不物理連接到磁性存儲設 備的電氣電路將數據寫入磁性存儲設備中的方法。從另一個方面看，本發明提供一種響應遠程電場發生器將數據寫 入磁性電路中的磁性電路元件。從另一個方面看，本發明提供一種磁性電路元件，其可操作以使 得遠程場傳感器能夠從磁性電路中讀出數據。一種磁性邏輯設備可以包括用于電氣電路的大致平面的第 一襯 底，以及在第一襯底上以層疊排列形成、用于磁性電路的多個大致平 面的第二襯底。每個所述第二襯底可以具有形成于其上的磁性電路， 并且每個磁性電路可以具有多個邏輯元件，數據寫入元件和數據讀出 元件。每個磁性電路的數據寫入元件在平面定位方面可以對應于第一 襯底的各個磁電寫入元件，并且每個磁性電路的數據讀出元件在平面 定位方面可以對應于第一襯底的各個磁電讀出元件。由此，多層磁性 邏輯設備可以被寫入和讀出，而不需要磁性電路與相關電氣讀出和寫 入電路系統之間的電氣連接。在一些實施方案中，磁性邏輯元件包括至少一個數據存儲元件。 因此磁性電路可以用于數據存儲。在一些實施方案中，第二襯底由非鐵磁層分離。非鐵磁層可以包 括選自電介質材料、聚合物材料和非鐵磁金屬材料的材料.因此可以 避免不同襯底層上的電路之間的干擾。在一些實施方案中，每個所述第二襯底可以具有形成于其上的多 個磁性電路。因此可以實現高密度的電路系統。在一些實施方案，磁性電路由磁性材料的納米線形成。每個邏輯 元件可以由納米線之間的連接形成，它的功能由連接的幾何形狀限 定。因此，單個磁性材料可以用來形成多個電路元件，每個具有由元 件形狀限定的功能。在一些實施方案，數據寫入元件和數據讀出元件是物理單個元 件。因此可以提供緊致的磁性電路。在一些實施方案中，磁性邏輯設備可以進一步包括產生用于驅動 磁性電路的旋轉磁場的磁場發生器。在一些實施方案中，磁場發生器 可以操作成在順時針和/或逆時針方向上產生磁場。因此，保存在磁 性電路中的數據可以方便的方式傳播以便允許電路內的容易數據定 位。在一些實施方案中，數據寫入元件可以包括邏輯NOT門的放大 殘端。在一些實施方案中，數據寫入元件可以包括矯頑性低于相鄰電 路部分的電路部分。可以形成矯頑性低于相鄰電路部分的電路部分具 有與相鄰電路部分不同的幾何形狀。因此，整個磁性電路可以由單個 磁性材料制成，其功能由更改的幾何形狀建立。在一些實施方案中，磁性電路可以包括擦除部分。在一些實施方 案中，擦除部分在平面定位方面對應于第一襯底的各個電氣擦除部 分。因此，可以使用專用擦除系統執行遠程擦除。在一些實施方案中，第一個第二襯底中磁性電路的寫入部分和讀 出部分可以從第二個第二襯底中磁性電路的寫入部分和讀出部分偏 移。因此，可以避免不同磁性電路層中的電路之間的干擾。可以提供包括如上所述磁性邏輯設備的數據存儲設備。從另一個方面看，本發明可以提供一種磁性電路設備。該設備可 以包括以層疊排列形成的多個大致平面的襯底，每個所述襯底具有形 成于其上的磁性電路。每個磁性電路可以具有多個邏輯元件，數據寫 入元件和數據讀出元件。每個磁性電路的數據寫入元件在平面定位方面可以對應于各個磁電寫入元件的預期位置，并且每個磁性電路的數置。因此，多層磁性電路設備可以被寫入和讀出，而不需要磁性電路 與相關電氣讀出和寫入電路系統之間的電氣連接。從另一個方面看，本發明可以提供一種制造磁性邏輯設備的方 法。該方法可以包括在第一襯底上形成電氣電路，電氣電路包括多個磁電寫入元件和讀出元件；以及在第一襯底上以層疊排列形成多個大 致平面的第二襯底，每個所述第二襯底具有形成于其上的磁性電路。 每個磁性電路可以包括多個邏輯元件，數據寫入元件和數據讀出元 件。每個磁性電路的數據寫入元件在平面定位方面可以對應于第一襯 底的各個磁電寫入元件，并且每個磁性電路的數據讀出元件在平面定 位方面可以對應于第一襯底的各個磁電讀出元件。從另一個方面看，本發明可以提供一種制造磁性邏輯設備的方 法。該方法可以包括在第一襯底上形成包括電氣電路的第一設備部 分，電氣電路包括多個磁電寫入元件和讀出元件；在第三襯底上形成 包括層疊排列的多個大致平面的第二襯底的第二設備部分，每個所述 第二襯底具有形成于其上的磁性電路，其包括多個邏輯元件，數據寫 入元件和數據讀出元件；以及連接第一和第二設備部分，使得第二襯 底排列在第一和第三襯底之間，并且使得每個磁性電路的數據寫入元 件在平面定位方面對應于第一襯底的各個磁電寫入元件，并且每個磁 性電路的數據讀出元件在平面定位方面對應于第一襯底的各個磁電讀 出元件。從另一個方面看，本發明可以提供一種將數據寫入磁性電路的方 法。該方法可以包括在旋轉磁場中定位磁性電路并且調制磁性電路的 至少數據寫入元件位置中的旋轉磁場。在一些實施方案中，數據寫入 元件可以包括矯頑性低于相鄰電路部分的電路部分。在一些實施方案 中，磁性電路不電連接到場調制源。因此，磁性電路可以使用電氣簡 單的物理方案寫入，其制造簡單且仍然提供高性能和數據密度。本發明的發明者已經研制了 一種稱作'疇壁邏輯，的磁性邏輯體系結構，其不使用晶體管并且表現出因數據轉換而引起的非常小的熱 量。疇壁是相對對準磁化的區域之間的移動界面。特別地，由軟磁性材料例如坡莫合金(Ni8QFe2())制成的亞微米平面納米線已經顯示形 成疇壁(21-23)的極好導管。納米線的高度形狀各向異性保證磁化 優選與線的長軸對準。這兩種可能的方向形成二進制信息表示的基 礎，磁疇壁用作變化信號中的轉換邊沿。疇壁可以在外加磁場的作用 下傳播通過納米線的復雜網絡。該磁場在設備平面中旋轉并且用作時 鐘和電源。先前的工作已經顯示如何可以使用尖端形平面納米線反轉 磁化方向。為了提供包含參考，在下文，邏輯'l，限定為在疇壁傳播 方向上指向的磁化，并且邏輯'0，限定為與疇壁傳播方向相反的磁 化。因此，尖端實際上執行邏輯NOT操作。從而可以實現數據存儲 功能。為了實現任意邏輯功能，具有一些另外的基礎功能是必要的。添 加至少一個2輸入功能例如AND或OR以補充NOT功能，允許執行任何計算。兩個路由功能對于最復雜的邏輯電路也是必需的產生 輸入信號的兩個相同副本的扇出結構，以及允許兩個信號彼此越過而 沒有千擾的交叉結構。在本磁性電路結構的上下文中，功能的外加磁 場需求應當相互兼容，使得單個全局旋轉磁場可以施加到整個電路， 所有不同功能一起操作也是必要的。已經發現這可以對于包括邏輯 NOT、邏輯AND、扇出和交叉結的體系結構而實現。此外，向邏輯 電路提供數據以在其上操作的場尋址數據輸入元件已經研制并添加到 元件的上述列表，從而允許數據從相關電子電路寫入磁性電路中和從 其中讀出。具體和優選的方面和實施方案也在附加權利要求中陳述。


現在將參考附隨附圖僅作為實例描述本發明的具體實施方案，其中圖1顯示提供與NOT門等價的邏輯功能性的磁性電路元件的略圖；圖2顯示疇壁通過磁性NOT門的運動的略圖；圖3A和3B顯示具有不同構造的磁性存儲電路的略圖；圖4A-4G顯示磁性存儲電路中寫入元件的操作；圖5顯示磁性存儲電路的寫入元件；圖6A-6F顯示磁性存儲電路的數據擦除過程的操作；圖7顯示多層磁性電路設備的略圖；圖8顯示多層磁性電路設備的示意透視圖；圖9顯示多層磁性電路設備的示意平面圖；圖IO顯示旋轉磁場發生器的示意圖；圖ll顯示磁性存儲電路的示意圖；圖12顯示磁性存儲電路的示意圖；圖13顯示磁性打開移位寄存器電路的示意圖；圖14顯示磁性存儲電路的示意圖；圖15A-15C顯示多元件磁性電路的操作；以及圖16A和16B顯示多元件磁性電路的操作。雖然本發明容許各種修改和備選形式，具體實施方案在附圖中作 為實例顯示并且在這里詳細描述。但是，應當理解，附圖和詳細描述 并不打算將本發明局限于公開的特定形式，而是相反地，本發明打算覆蓋落在如由附加權利要求限定的本發明的本質和范圍內的所有修 改、等價物和備選方案。
具體實施方式
數字微電子學是存儲器和邏輯的組合。基礎布爾邏輯功能例如 AND、 NOT、 XOR允許數字IC在算數計算中組合來自存儲器的數 字。MRAM使用CMOS兼容的工藝制造，因此將通過允許大量高速 高密度非易失性存儲器嵌入有半導體微處理器而間接地影響微電子邏 輯。磁性邏輯的新興領域設法在最低級別重新設計微電子邏輯的操作 原理以直接利用鐵磁性。已經進行嘗試(參看R. P. Cowbum， M. E. Welland，存夢 287, 1466 (2000 ) ， G. Csaba, W. Porod， A. I. Csurgay, / C7m 7Ti^.柳/. 31， 67 (2003)，以及A. Imre， G. Csaba， V. Metlushko ， G. H. Bernstein , W. Porod ，尸一/cfl F 19 , 240(2003 ))以基于由Notre Dame大學設計的單電子晶體管體系結構(J. Amlani等人，存夢284， 289 ( 1999))實現磁性邏輯。稱作磁 性細胞自動機的這些方案使用靜磁耦合的磁性元件的網絡。信息由運 行越過相互作用磁性元件的晶格的磁孤立子傳播，并且通過在具有明 確限定轉換閾值的節點處求和雜散磁場來執行邏輯功能。關于這種方 案的挑戰之一在于鐵磁元件之間的靜磁相互作用場通常比元件內的退 磁場弱；所以，磁性元件形狀的任何物理缺陷容易阻擋信息的傳播并 且設備變得極度不能容忍制造缺陷。已經提出許多種基于MTJ的磁性邏輯方案。在一類這些方案中(參看G. Reiss等人，尸—.M爿291， 1628 ( 2004 ) ， A. Ney ， C. Pampuch ， R. Koch ， K. H. Ploog ， 々# 425 ， 485(2003),以及R. Richter等人，^在逸子46, 639 (2002))，信 息經由多個位線中的電流進入邏輯門。MTJ的所謂'自由層，將旋轉到 來自組合電流的凈磁場的方向中，有效地用作非線性求和元件。這又 改變結的電阻，其可以用來控制隨后位線中的電流。這種方案具有許 多優點，相當重要的在于設備基于現有MTJ技術并且邏輯功能可以 通過改變磁性隧道結中參考層的磁化方向來編程。這使得它們對于現 場可編程門陣列(FPGA)具有吸引力(參看Z. Navabi, ZWgi'似/ Z)es/g" /附/ /e附e"/""Vm F/g/flf iVog/Yi附附ad/e Z)eWces (使用現 場可編程器件的數字設計和實現)(Kluwer學院出版社， 2005))，其中許多不同應用使用相同的硬件；精確的硬件功能通過 編程存儲元件的構造而限定，也許甚至更多吸引力在于快速可重構性 的前景，因為限定功能的磁性硬質層可以納秒反轉，允許硬件自適應 地跟蹤正在進行的計算的最佳體系結構(G. A. Prinz，存# 282， 1660 ( 1998))。這些方案的缺點在于流密度，這需要高磁阻比和大晶體管。該方案的變化存在，其中MTJ用來偏置常規電子邏輯門(W. C. Black, B. Das, /. j/7/7/.尸/y;s. 87， 6674 (2000))。在該情況下，MTJ僅用來限定邏輯功能；實 際計算完全在經典電子學中執行。常規微電子集成電路(IC)通過控制經過晶體管開關的電子流 工作。數字信號在IC中由電荷的存在或不存在表示。但是電子可以 提供更多。除了電荷之外，電子也擁有自旋的量子力學性質。但是不 像電荷，自旋可以具有兩個方向，常規地稱作'向上，和'向下，，允許 二進制數字的選擇表示。例如，小鐵磁元件的磁化是電子自旋的經典 限制并且長期用來將信息存儲在磁性記錄中。在過去十年中，許多研 究者已經建立了自旋電子學的新技術，其中電子的自旋以及電荷在微 電子IC中用來表示位并且執行數據處理。這通常期望用來構建下一 代計算技術的較低功率、較高速度、非易失性設備。自旋電子學發展在半導體和磁學社團中沿循不同的方法。半導體 方法包括在半導體基質中產生和操縱自旋極化電子，信息表示為'向 上，自旋或'向下，自旋。當時，適當室溫鐵磁半導體的缺乏限制了功能 設備的研制，雖然在理解使用光學探針操縱半導體中的自旋方面已經 取得許多進展。自旋電子學的磁學方法沿循了不同的路徑。在發現由金屬鐵磁/ 非磁性多層表現出的巨磁阻(參看M. N. Baibich等人，/Vi".及ev. 丄e汰61， 2472 ( 1988 ))之后，研究者通過使用鐵磁金屬例如鎳、 鐵和鈷研制出許多室溫設備。信息在這些設備中由小鐵磁元件中的磁 化方向表示。稱作磁性隧道結(MTJ)的一種這種設備形成磁性隨 機存取存儲器(MRAM)的構件塊， 一種非易失性、高密度、高速 存儲器技術(參看G. Grynkenich等人，M及51 29， 818(2004 ))。此外，自旋動量轉移效應的最近論證(參看J. C. Slonczewski, / Af"g汰3toer. 159， Ll ( 1906) ， L. Berger.及ev.丑54, 9353 ( 1996) ， J. A. Katine， F. J. Albert, R. A. Buhrman, E. B. Myers, D. C. Ralph,及ev.丄e汰84， 3149(2000) ， S. J. Kiselev等人，《#' 425， 380 (2003 )以及W. H. Rippard， M. R. Pufall， S. Kaka， S. E. Russek， T. J. Silva，戶一. / ev.Le汰)，其中磁化直接由外加電流在其上操作，通過提供電子學 與磁學世界之間的新接口機制進一步增加熱量到該已經勵磁場。本發 明的發明者一直在工作以擴展磁性非易失性存儲器，為可行磁性邏輯 技術研制必需的元件。因此顯然地，電子的自旋和電荷都用于邏輯和存儲器操作的自旋 電子學領域可以使用不同于傳統半導體電子學的技術基礎提供邏輯設 備。使用這些技術，可以使用寬度小于微米的平面磁線構造完整的邏 輯體系結構。邏輯NOT、邏輯AND、信號扇出和信號交叉元件都可 以構造具有簡單的幾何設計并且可以在單個電路中 一起使用。數據輸 入的另外元件允許信息寫入磁疇壁邏輯電路。使用所謂納米磁體形成所謂磁量子細胞自動機(MQCA)設備 的技術在Cowburn和Welland，科學Vol 287 pp 1466-1468中討 論。利用這種技術，磁性電路元件和使用這種元件的電路已經在國際 專利申請PCT/GB01/05072 ( WO02/41492 )和PCT/GB03/01266(WO03/083874 )中討論。因此，在基于這些論文和專利申請的公開知識基礎。在本實例的上下文中，在磁性存儲電路中使用的電路元件的一種 是NOT門，如圖1中所示。本實例的NOT門10可以由磁性材料的 納米級點的鏈，或者由納米級平面磁線構成。圖1中顯示的箭頭表示 形成NOT門的窄帶材料中磁場的方向。NOT門10的操作的基本原 理是進入的磁場疇壁傳播通過門，當疇壁經過跟蹤圖案時磁場方向反 轉發生。因此，由磁場方向反轉的物理效應提供邏輯NOT門功能。使用中，門位于矢量隨著時間在設備平面中旋轉的磁場中。因為 磁性形狀各向異性，線中的磁化通常限制位于沿著線的長軸。因此， 在大多數情況下，存在兩種磁化可能性，能夠實現數據的傳統二進制 表示。線中磁化方向的改變由可以由外加場沿著線掃描的磁疇壁調節。磁場旋轉的事實意味著可以圍繞轉角傳送疇壁。NOT門10的操作和構造的更多細節在WO03/083874 (Cowburn)中展示，在此引用其全部內容作為參考，因此不在這里 進一步討論。但是，NOT門的操作的基本原理是清楚的。在下面的實例中，可以使用與圖1中所示類似的NOT門構造單 位或多位存儲電路。在這些電路中使用的NOT門具有擺線形狀。門 可以由硅襯底上5nm厚坡莫合金(Ni8。Fe2。)薄膜的聚焦離子束磨削 制造。圖2給出擺線的換向動作的說明并且顯示一半周期的延遲如何 在輸入變化狀態和輸出變化狀態之間存在。在低磁場條件下，亞微米鐵磁平面線內的磁化方向因強烈的磁性 形狀各向異性而趨向于沿著線的長軸。當兩個相反定向的磁化在線內 相遇時，相繼原子磁矩的重新排列不是突然的，而是在某個距離上逐 漸發生從而形成疇壁。現在已知通過與線平行的磁場的施加，疇壁可以沿著直線亞微米 磁線傳播。在本實例中，可以施加具有隨著時間在樣品平面中旋轉的 矢量的磁場，從而沿著也改變方向并轉彎的磁線傳播疇壁。順時針或 逆時針旋轉限定磁場手性，疇壁應當圍繞磁線轉角傳播，假設磁場和 轉角具有相同的手性。但是，轉角的手性取決于疇壁傳播的方向，使 得在給定手性的旋轉磁場內，疇壁將僅能夠在一個方向上經過給定轉 角。這滿足明確信號流方向必須存在的任何邏輯系統的重要需求。亞 微米磁線內的兩個穩定磁化方向提供表示兩個布爾邏輯狀態的自然方 法，并且這與旋轉磁場的施加一起成為存儲設備的每個邏輯單元的操 作的基礎。圖2中說明的擺線提供換向功能并且說明當處于適當旋轉磁場內 時NOT門功能性。假{殳磁場在逆時針方向上旋轉。到達結的端子'P， (參看圖3B)的疇壁20將圍繞結的第一轉角傳播(參看圖3C)， 并且隨著磁場從水平方向旋轉到垂直方向通過到達端子'Q，。 'P，和 'Q，之間的磁化現在將是連續的(參看圖3D)。然后，隨著磁場矢量 繼續朝向相反的水平方向旋轉，疇壁20應當圍繞結的第二轉角傳播(參看圖3E)，在端子'R，離去并且恢復4Q，和'R，之間的連續磁化。 與直接位于結之前的線相比較，直接位于結之后的線的磁化現在應當 反轉。因此，該結應當以半個磁場周期傳播延遲執行期望的NOT功 能。該操作與汽車通過執行三點轉動反轉它的方向類似。因此在疇壁到達輸入和從輸出離開之間存在半個周期的總延遲。 在下面的實例中，通過將大量磁性NOT門串聯在一起然后將鏈的輸 出輸送回到輸入，實現與該同步延遲相關聯的存儲功能。如圖3A中所示，許多這些擺線尖端可以連接在一起以形成多元 件、功能上循環的移位寄存器30。通過在方向A上將旋轉磁場施加 到整個移位寄存器30,移位寄存器30內的疇壁將在磁場旋轉方向上 圍繞移位寄存器而驅動。因此，本實例的移位寄存器30包括回路連 接的許多擺線尖端32。移位寄存器30也可以包括數據輸入元件33 和數據讀出元件34，其每個將在下面更詳細地討論。如上面討論的，數據回路位于矢量隨著時間在回路平面中旋轉的 磁場中。在本實例中，該旋轉具有1Hz-200MHz范圍內的頻率。磁 場幅度可以隨著磁場旋轉是恒定的，從而形成磁場矢量的圓形軌跡， 或者它可以變化，從而形成磁場矢量的橢圓形軌跡。這可以通過將電 磁帶狀線放置在回路下面然后使得交變電流經過帶狀線而在小面積設 備中實現。在較大面積的設備中，承載回路的襯底位于四極子電磁體 中。磁場幅度應當足夠強以保證疇壁一路上可以被推動通過每個 NOT門，但是不會如此強以致于可以與數據輸入機制無關地集結新 的疇壁。推動疇壁通過每個NOT門所需的磁場可以通過改變回路的厚 度、回路的寬度以及用來制造回路的磁性材料而調節。該磁場應當足 夠大以致于設備不會遭受來自雜散環境磁場的擦除。如果雜散磁場擦 除是一個問題，可以使用鎳鐵高導磁合金屏蔽本發明。在一組實例 中，可以使用50-200 Oe (3980-15920 A/m )范圍內的最佳外加磁場 強度。關于移位寄存器的數據輸入元件33和數據讀出元件34的相對位 置的備選方案在圖3B中顯示。當電路元件位置背后的控制原理是元 件的手便利時，可以產生許多這種備選配置，使得所有在單個旋轉磁 場中協作地一起操作。在本實例的電路中， 一個數據位由兩個電路元件存儲。每個電路 元件在將疇壁從電路元件的開始傳送到電路元件的輸出時具有半個周 期的延遲。該存儲效應允許由電路進行數據存儲。在圖3A和3B的 上下文中，NOT門32 (包括數據寫入元件33)的每個、讀出元件 34的扇出結，以及與扇出結相對的平端每個看作電路元件。因此， 圖3A和3B的每個中說明的電路是5位(10電路元件)移位寄存使用奇數個電路元件形成該類型的磁性電路是可能且可行的。但 是應當注意，在這種電路中，每個數據位由該位圍繞電路的每個完整 旋轉而反轉。因此，在一些應用中，跟蹤在任何給定時間電路在"偶 數"還是"奇數"周期上操作可能是必要的，以避免在數據讀出之后引 起丟失破壞的數據反轉。使用偶數個電路元件，這種數據反轉不發 生，從而周期跟蹤是多余的。現在將參考圖4展示關于移位寄存器的操作的更詳細討論，包括 數據寫入元件34的搮作。在該圖中，給出在納米級上構造的簡單電 路的實例。磁場分量的方向Hx和Hy，磁場旋轉的方向(Rot)以及 MOKE測量的位置(*)在該圖中指示。在下文，術語"水平，，和"垂直"，當對于磁場幅度使用時，分別指 如所示圖上x和y方向上的場強。電路不需要為了成功使用而保持在 特定順序方向上。本領域技術人員將認識到，用來存儲或處理數據的電路必須能夠 從外部世界接收數據.圖4A顯示包含八個NOT門和扇出結的5位 磁性循環移位寄存器結構。在該電路中，NOT門的一個具有放大的 中心殘端區域(stub region)以降低線的矯頑性，從而減小引起磁化 反轉的外加磁場的必要強度，使得成為數據輸入元件33。來自栽流導體的雜散磁場可以用來將磁性數據直接且局部地寫入放大殘端(enlarged stub)。但是，在本實例，設計殘端(stub)使得將數據 寫入其中所需的磁場幅度位于其他NOT門和扇出結的操作范圍內。 因此，通過調制全局施加的旋轉磁場的幅度寫入數據是可能的。旋轉 磁場因此同時用作電源、時鐘和串行數據通道。圖4B-E顯示順時針旋轉磁場內數據輸入元件的工作原理。從初 始磁化狀態(圖4B)開始，大幅度磁場H/"te在元件中集結疇壁， 其傳播通過NOT門結并且沿著輸入/輸出線劃分成疇壁DW1和DW2(圖4C)。疇壁DW1隨著外加場旋轉圍繞相同手便利的轉角傳送 并且將繼續圍繞移位寄存器傳播(圖4D)。相反地，疇壁DW2初 始地圍繞與外加場旋轉相反手便利的轉角傳送，所以隨著磁場進一步 旋轉，疇壁一定反轉它的方向并且向后經過NOT門(圖4D)。在 NOT門，返回的疇壁一定再次劃分成兩個。 一部分將沿著NOT門結 的輸出臂(圖3E)傳播，在原始疇壁延遲半個周期之后，而另一部 分將沿著數據輸入元件向后傳播以恢復初始磁化狀態(圖4E)。為 了防止可能破壞性的振動條件，設計元件33使得該返回疇壁在到達 元件末端時消滅。因此，來自具有單個集結事件的該場序列的數據輸 入元件33的輸出是一對疇壁。如圖5中所示，如在圖4A中描繪的實例電路中使用的寫入元件 33可以具有為了相對于電路的剩余元件引起反轉磁場強度的必需減 小而選擇的實際尺寸，以及消滅到達殘端的疇壁的期望特性。在該實 例中，整個元件具有從輸入和輸出信號路徑的結到殘端的大約3微米 的總長度。這劃分成長度為225nm且長度為500nm的初始部分，繼 之以寬度為200nm且長度為350nm的變窄部分，繼之以ljim長且 達到325nm寬度的增寬部分。接下來另一個ljim長的部分保持 325nm的寬度，最終殘端形成為大約300nm長的鈍端。這些實際尺 寸已經顯示在圖4A中說明的電路中工作，其中磁線具有200nm的 寬度并且所有轉角具有ljim的曲率半徑。從移位寄存器中讀出數據是將磁場傳感器與扇出讀出元件34對準的問題。隨著每個疇壁由旋轉磁場圍繞電路驅動，例如疇壁經過扇 出，疇壁劃分成兩個， 一個繼續圍繞電路而另一個傳遞進入讀出元件34。讀出元件34內的該磁場方向與電路的相應部分中的場方向相 同。如同寫入元件33 —樣，讀出元件的殘端成形以便消滅疇壁，從 而防止破壞性的振動條件發生。使用圖4F中顯示的外加信號執行到移位寄存器中的數據寫入。 5位序列實例寫入場圖案一次施加以使用5位數據填充移位寄存器， 僅虛線之間的部分執行數據寫入(最后的磁場周期用來保證所有疇壁 正確地進入移位寄存器回路)。在寫入過程之前，通過施加低幅度旋 轉磁場消滅所有疇壁。對于在本實例的電路中寫入單個數據位，磁場 的一半周期的幅度分量是Hxwrite=138 Oe ( 10984.8 A/m )且Hy°=50 Oe (3980 A/m)，使得磁性數據輸入元件如上所述轉換。不寫入數 據的磁場條件是Hxn°-write=90 Oe (7164 A/m)且Hy°=50 Oe (3980 A/m)。在它的初始化配置中使用Hx0=90Oe ( 7164 A/m )和Hy^50 Oe (3980 A/m)的移位寄存器MOKE (磁光Kerr效應)測量證實 不存在疇壁(圖3G，跡線I)。在寫入場圖案的單個施加之后，移 位寄存器包含幾個二疇壁包，其表示'11010，的二進制數據流(圖 3G，跡線II)。注意在該情況下，低MOKE信號對應于邏輯'l，， 因為輸入元件與讀出線之間的180°旋轉。該數據流完美地對應于寫 入場圖案中的數據流(圖4F)，并且證實如上所述的數據輸入元件 的原理。在實驗條件下，寫入與讀出之間一個小時的延遲返回正確的位序 列，證明移位寄存器的固有非易失性。但是，最終的室溫存儲時間實 際上遠遠超過一個小時，并且可以設計線寬度和厚度以保證數據保存 時間超過10年。整個移位寄存器內的所有信息可以通過幅度 Hx0=243 Oe ( 19342.8 A/m)和1.85ms脈沖長度的單個塊擦除半正弦 曲線磁場脈沖的施加去除，使用十個疇壁即刻填充移位寄存器(圖 4G，跡線III)，而不管初始磁化排列。因此現在已經描述了完全可行和可用磁性電路移位寄存器的實例，通過更改的磁性驅動信號的選擇性施加，其可以被寫入以將數據 存儲于其中。數據可以由與給定信號承載元件對準的磁場傳感器讀出。該電路可以通過NOT功能的去除或添加而縮減或擴展，以保存 任意數目的數據位。磁性存儲電路與讀出和寫入電路(其可以是傳統 電學電路)之間的接口不需要具有直接物理連接，因為這些功能可以 使用可以間接操縱和感測的磁場執行。在一個實例中，與數據讀出元件34的扇出相對的清除端35可以 用于選擇性數據刪除。圖6A-F關于參考圖4在上面描述的實例移位 寄存器說明該過程。在該實例中，假設每個數據元件已經預先栽有疇 壁。為了執行選擇性刪除，從水平磁場分量為零(使得每個NOT門 和扇出在它們的輸入端具有疇壁，并且在清除端也存在疇壁)的位置 開始，在周期的前一半期間更改電路的驅動磁場，以便使得清除端上 的疇壁移動并且與另一個疇壁碰撞而消滅，從而刪除它們先前保存的 信息。更改的驅動磁場在圖6A中說明，其顯示在前一半周期中減小 的水平磁場幅度。該減小的幅度不足夠使疇壁傳播通過線結，因此 NOT門和扇出結處的所有疇壁被釘扎(pinned)且不移動。但是， 幅度足夠大以使疇壁沿著清除端傳播，在那里不存在需要通過的線 結。因此該疇壁在周期的前一半期間(當它是唯一移動的疇壁時)傳 播到下一個存儲元件。在周期的后一半期間，相同存儲元件中的兩個 疇壁碰撞并且相互消滅，因此刪除數據。這在圖6B中顯示，在那里 一個數據位已經被刪除是清晰的。該過程的連續應用在圖6C-F中顯示，其中在每個連續的圖中， 另一個疇壁對已經被刪除，從而移位寄存器中的數據已經一次一位地 選擇性刪除。應當理解，該刪除可以非順序地施加，使得一些數據位 可以保存而另一些刪除，不管它們圍繞移位寄存器的相對位置。因為疇壁消滅僅在移位寄存器的一個區域中發生，待刪除的疇壁 比須移至該區域中。逐位擦除磁場圖案的第二個全磁場周期傳播所有 疇壁經過兩個存儲元件，而沒有疇壁消滅。這"建立，，待消滅的下一個 疇壁對。如果該下一對不被消滅，則可以施加"正常，，驅動信號以移動該對通過擦除區。應當理解，疇壁的刪除應當在水平驅動磁場的正確符號時開始。 當使用正確符號時，消滅的疇壁是描述存儲數據位的那些，從而允許 數據位被刪除而不影響寄存器中的任何其他數據。但是，如果水平磁場的符號不正確，則刪除的疇壁將是來自兩個存儲數據位的每個的一 個，因此兩個這種位都將被破壞但是任何一個都沒有完整地刪除。為 了糾正該情況，可以擦去寄存器(也就是刪除所有數據)并且重新寫 入數據，或者新的數據可以寫入到移位寄存器中的受影響位置。該效果也可以通過整個停止電路的驅動磁場，使得疇壁在電路內 保持靜止而產生。然后，局部定向磁場在清除端產生以便沿著清除端 移動單個疇壁。因為在那時沒有其他疇壁處于移動中，移動的疇壁將 在清除端的另一端與疇壁碰撞，引起相互的疇壁消滅，從而刪除由該 疇壁對保存的數據。該局部磁場施加可以使用遠程磁場產生過程施加，以與使用數據寫入元件33寫入數據相同的方式。而且，在備選實例中，上面略述的選擇性數據刪除過程可以代替 地用于寫入過程。在該模式操作中，電路預先加栽全"l"，并且可以 通過使用全局磁場移動數據序列通過電路，以及停止該磁場以在需要 的數據位置中執行"O"的選擇性寫入，使用選擇性刪除在需要的位置 寫入"0"。與常規電學電路(electrical circuit) —樣，多個磁性電路 (magnetic circuit)可以并排形成在單個襯底上。每個電路可以獨立 地如上所述被讀出和寫入。回路的數目與每個回路中NOT門的數目 之間的最佳平衡將對于給定應用而尋找。每個包括大量NOT門的少 量回路集成到封裝中將非常容易且便宜，但是如果單個NOT門未能 通過制造缺陷，將傾向于整個設備的故障。這種組合也將具有長的數 據存取時間，因為必須等待平均大量時鐘周期以使得給定數據塊循環 到讀出位置。每個包括少量NOT門的大量回路將對于各個NOT門 的故障非常具有抵抗力(包含失敗門的回路可以從電路中取出而不顯 著地減小整個存儲容量)，并且將具有快速存取時間，但是將引入更多讀出和寫入點(從而較高的成本和襯底上較低的數據密度)，并且 集成大量回路到單個集成電路封裝中更復雜。該文獻中的所有圖顯示8個門的回路。這實際上純粹是象征的，每個回路可以包含從幾個至 成千上萬個門的任何數目的門。除了在單個層上放置多個電路之外，上面討論的磁性電路也可以 如圖7中所示在多個層中形成。這里，可以制造許多襯底層40，每 個具有形成于其上的一個或多個磁性電路42，從而產生高密度磁性 電路設備。在一個實例中，多層設備可以通過沉積每個襯底層，并且 在沉積下一個襯底之前依次為每層產生電路而形成。 一層材料可以沉 積在電路承栽襯底層之間以分離不同層中的磁性電路。在一個實例 中，該材料間距提供大約20nm的層間間距以防止不同層上電路之間 的靜磁耦合。分離這些層的材料可以是任何非鐵磁材料。適當材料的 實例可以包括電介質材料、聚合物材料和非鐵磁材料。在一些實例 中，分離材料是在基于層的制造工藝中可以容易地沉積的材料。現在參考圖8，顯示在單層電學電路系統(例如CMOS電路) 上形成的多層磁性設備的實例，電學電路系統提供對于設備的所有層 中的磁性電路的讀出和寫入功能性。如圖9中所示，硅襯底50可以具有形成于其上的許多電學電路 元件51。這些可以采取設計成產生延伸到襯底50平面之外的磁場的 元件，以及設計成檢測襯底50平面外磁場的磁場傳感器的形式。為了避免給定電路的磁場發生器寫入另一個電路，偏移不同電路 的發生器和相應數據寫入元件是必要的。類似地，為了避免磁場傳感 器讀出來自錯誤電路的數據讀出元件的數據，偏移不同電路的傳感器 和相應數據讀出元件是必要的。所需的偏移量取決于許多因素，包括 設備中的層數。對于50層設備且層間間距為20nm的實例，從電子 電路到最上的磁性電路的距離大約是ljun。由發生器產生的場強因 此需要是足夠的以在與電子電路相距該距離處具有效應。這通常是由 電子或電氣電路產生的磁場在所有方向上同等地延伸的情況。因此， 為了避免不同發生器和傳感器與除它們相應磁性電路之外的磁性電路之間的干擾，等于至少大約兩倍最大作用半徑的偏移量通常是建議 的。在一些情況下，如果每個發生器/傳感器的功率對于它必須寫入/讀出數據的層具體地設計，可以實現較低的偏移量。在50層設備的 一些實例中，5-10^un的區域中的間距可以用來提供無干擾與電路密 度之間的平衡。較高的偏移量可以在其他實例中使用。形成在硅襯底50上的層中的是許多磁性電路層40，每個具有形 成于其中的一個或多個磁性電路42,并且由電介質層41分離。每個 磁性電路42包括寫入元件33和讀出元件34。對于設備中的每個磁 性電路，寫入元件33和讀出元件34直接位于電學電路層50的分別 磁場發生器和磁場傳感器上方。為了使得每個磁性電路能夠獨立地寫 入和讀出，每個磁性電路具有不與任何其他磁性電路的寫入元件或讀 出元件重疊的寫入元件33和讀出元件34。磁性電路元件相對于電子電路元件的相對對準在圖9中進一步說 明，其表示通過磁性電路層40看到電學電路層50上的設備的平面穿 透。如可以從圖9中看到的，第一磁性電路層上的磁性電路42a (以 實線顯示)具有與電學電路的磁場發生器52a對準的寫入元件33a， 以及與電學電路的磁場傳感器53a對準的讀出元件34a。類似地，第 二磁性電路層上的磁性電路42b (以虛線顯示)具有與電學電路的磁 場發生器52b對準的寫入元件33b，以及與電學電路的磁場傳感器 53b對準的讀出元件34b。因此多層磁性電路可以排列在電學電路的 相同區域上，只要磁性電路的讀出和寫入部分彼此偏移。因此，可以獨立地激勵電學電路的磁場發生器以局部地更改施加 到整個設備的旋轉磁場。通過該方法，單個旋轉磁場可以施加到整個 設備并且可以執行磁場的局部更改以允許數據寫入到磁性電路42的 所選一些中。類似地，當期望從給定磁性電路中讀出信息時，可以激 勵與該電路的讀出元件34相對應的磁場傳感器從而將數據從磁性電 路讀出到電學電路中。參考圖6在上面描述的選擇性擦除功能也可以適用于如圖7， 8 或9的任何一個中顯示的多層設備。這可以全局地作用于所有電路或者可以基于每個電路或每組電路局部地執行。在多個電路由共同的旋 轉磁場驅動的情況下，可以局部地實現用于選擇性擦除的更改驅動磁 場，從而不需要擦除來自磁場內所有電路的數據。當期望擦除時，引 起刪除的驅動信號施加到整個設備。但是，對于不需要刪除的電路， 可以激勵電學電路層上適當定位的電學電路元件以對于那些電路"加 滿"磁場從而保證疇壁圍繞電路正常地傳播。作為選擇，可以通過停止驅動磁場并且使用電學電路襯底50上適當對準的電學電路元件提 供部分強度的驅動信號到電路的清除端以移動疇壁來處理這種刪除。因此，現在已經描述了能夠使用單個電學電路層寫入和讀出多層 磁性存儲電路的多層磁性存儲設備的實例。因此，設備的生產成本可 以保持低，因為不需要形成到每個磁性電路層的直接電氣連接。通過采用這種具有多個層，每個具有多個數據存儲電路的策略， 可以實現非常高的存儲密度。例如，使用上面圖4的實例中使用的電 路元件尺寸，并且假設設備中五十個磁性電路層，數據密度高達 16Gbit/inch2 (大約25.4Mbit/mm2，使用lmm2=0.00155inch2的轉 換)。如果磁性電路軌道的寬度減小至90nm (并且曲率半徑相應地 減小到450nm )，那么該數據密度可以增加到77Gbit/inch2 (122Mbit/mm2)。可以看到，可以使用小的物理設備形成非常高容 量的存儲設備。雖然上面已經描述可以通過在已經形成有電子電路的襯底上沉積 磁性電路層來制造多層設備，可以使用其他制造技術。例如，為了避 免將磁性材料引入電子電路制造設備中的必要性，電子電路襯底和多 個磁性電路層可以單獨地制造并且組裝成單個設備。因此電子電路可 以形成在硅(或其他半導體)襯底上，如常規已知的。在單獨制造過 程中，可以基于襯底，如上所述例如硅或其他半導體襯底制造磁性電 路層。在該過程中，最接近襯底的層將作為最遠離電子電路的層終 止。在這兩部分制造之后，它們可以組裝使得磁性電路層的襯底在電 子電路襯底的遠端。可以使用任何適當固定方法實現兩部分的組裝。 在一個實例中，可以使用施加壓力到兩個襯底使得它們強加在一起的力學固定方法。在另一個實例中，可以使用基于通過抽吸在兩部分之 間產生真空以將它們固定在一起的固定方法。因此，可以看到，許多 種制造方法可以用來產生多層磁性電路設備。現在，參考圖10，將顯示產生旋轉磁場的結構的實例。在該結 構中， 一對線團61和63以交叉構造排列，各個線圍的軌跡基本上垂 直地相交。因此通過施加交變信號到線圍，可以產生旋轉磁場。在本 實例中，在62處使用余弦波形信號Iy驅動線圍61，以及在64處使 用正弦波形信號Ix驅動線閨63將在線圍相交的部分產生旋轉磁場。 正弦和余弦信號的相對相位確定磁場旋轉的方向。因此，位于與指示 區域65垂直的體積中的磁性電路將由產生的旋轉磁場驅動。如圖9 中所示，不形成交叉區域的一部分的線圍部分可以在空間上緊致從而 減小磁場發生電路的總尺寸。應當理解，可以使用產生旋轉磁場的備選方法。 一種備用選擇是 使用例如電子電路襯底上的帶狀線產生旋轉磁場。這些可以使用如上 討論的正弦和余弦波驅動。這種基于帶狀線的信號產生可以用來為整 個設備產生旋轉磁場。在其他實例中，可以使用多種磁場發生器方案 為設備的不同區域產生不同的旋轉磁場。因此，設備的不同區域可以 不同的頻率驅動和/或異步地存取。由不同旋轉磁場發生器驅動的區 域可以包括每層中多于一個電路，每層中一個電路，或者單個層中僅 單個電路。在這最后一個實例中，旋轉磁場發生器可以用來通過旋轉 磁場的直接調制而不是通過使用單獨局部發生器為寫入進行磁場調 制，執行數據到電路的寫入。通過使用例如由圖10中顯示的電路產生的旋轉磁場內的許多磁 性電路實現設備，并且通過參考圖7-9在上面討論地通過從單個電學 電路驅動許多層中的許多磁性電路，產生所有發熱元件位于設備外圍 并且設備的核心區域產生非常少的廢熱的設備是可能的。因此，根據 這些原理形成的磁性電路設備可以操作而沒有因不充分的冷卻措施而 過熱的危險。在大多數應用中，以這種方式制造的設備可以連續地操 作而不需要任何有效冷卻。因此，現在描述了一種用于形成可以遠程地驅動、寫入和讀出的 磁性電路設備的系統、裝置和方法。因此，可以使用不具有到設備的 讀出和寫入電路的直接電氣連接的磁性電路元件形成高密度數據存儲 設備。而且，數據可以從設備中選擇性地刪除，而不需要擦除電路與 磁性電路之間的直接電氣連接。因此設備的制造成本可以維持低，因 為沒有必需的電氣連接。而且，使用這種磁性電路的設備可以制造得 很小并且仍然提供大量邏輯門。現在將參考圖11-14描述可以用來制造適合于在磁性設備中使用 的磁性電路的備選電路構造。圖11顯示使用NOT門的彎曲殘端提供數據寫入能力的簡單(2 位)移位寄存器。該方案需要使用順時針和逆時針(反時針)磁場旋 轉。應當理解，改變驅動磁場的旋轉方向是更改驅動信號的水平和垂 直分量的相對相位的問題。對于該結構，讀出操作將使用順時針旋轉 磁場以使疇壁傳播進入扇出元件34用于讀出。當疇壁到達連接有數 據輸入元件36的NOT門時，它將分成兩個。 一部分將傳播通過輸 出線并且繼續通過移位寄存器。另一部分在到達數據輸入元件36之 前將沿著NOT門的中間殘端和圍繞(順時針)轉角而傳播。這里， 疇壁或者在殘端處消滅，或者簡單地變得阻塞，因為它不能逃脫以向 后傳播到電路中，使得數據寫入元件用作疇壁黑洞。對于寫入，使用逆時針(反時針)磁場以使疇壁傳播到數據寫入 元件36之外并且進入它連接到的NOT門。當數據位被寫入時，垂 直磁場幅度增加到"寫入閾值"之上長達全磁場周期，集結兩個疇壁。 當第一疇壁到達NOT門結時，它將沿著NOT門輸入和輸出線劃 分。圍繞逆時針轉角傳播的疇壁繼續圍繞移位寄存器行進。另一個疇 壁在行進返回到NOT門之前行進到具有順時針旋轉的第一轉角。該 疇壁然后遇到第二集結疇壁從而消滅。如果沒有產生第二疇壁，第一 疇壁的"返回"部分將在NOT門中間殘端中振動并且使用疇壁填充移 位寄存器。該方案的更復雜方式(5位)在圖12中顯示。這以與圖11中顯示的簡單方案相同的方式操作。這些電路可以與上面參考圖6描述的 選擇性擦除功能一起使用。因此，現在已經描述了使用雙向驅動磁場的備選磁性移位寄存器 配置的實例。該方案可以使用不直接連接到磁性電路的電學電路系統 驅動、寫入、讀出和刪除，并且可以在每層具有多于一個磁性電路元 件的多層設備中形成。參考圖13，現在將描述7門串行移位寄存器的實例。因為數據 輸入元件36是移位寄存器的一部分，該實例設備是5位設備。多個 扇出部分37允許每個疇壁被讀出多于一次，盡管該設備的破壞性數 據讀出。如所示，疇壁可以在四個位置同時讀出。這有效地提供4倍 系數的輸出放大。因此可以增加數據讀出的信噪比。數據讀出的這種 多個扇出的方案并不局限于在破壞性數據讀出電路中使用并且可以適 用于任何磁性電路。因為該實例的移位寄存器是打開的而不是回路，它主要用作延遲 電路，在讀出部分37處讀出之前將在寫入元件36處寫入的數據延遲 5位周期。圖14顯示數據輸入經由扇出連接的實例移位寄存器。這里，數 據輸入元件38經由扇出元件引入而不連接到NOT門。在該實例中 顯示有'水平，數據輸入元件，但是適當的轉角將允許使用'垂直，等價物。該設備使用順時針和逆時針驅動磁場方向。在讀出模式中，疇壁 在順時針方向上圍繞回路傳播。在扇出上入射的疇壁將劃分成兩個， 一部分繼續圍繞回路而另一部分在數據輸入元件38的末端消滅之前 沿著扇出臂行進(以允許通過遠程磁場傳感器的讀出)。寫入模式將 使用逆時針磁場旋轉。從數據輸入元件38到達扇出結的疇壁應當劃 分并且初始地在主回路中相反的方向上行進(因此扇出結在該模式中 有效地用作NOT門)。 一個疇壁繼續圍繞回路而另一個將遇到順時 針轉彎的轉角并且返回到扇出結。隨著它傳播通過扇出， 一個疇壁將 在回路中繼續，產生輸入到設備的兩個疇壁的第二個，而另一個將沿 著數據輸入元件臂行進。對于'水平，元件，該疇壁將消滅。對于'垂直，元件，第二疇壁的集結如參考圖11所述將是必要的從而避免振動 條件。該方案提供設備密度方面的優點，因為NOT門回路內部沒有空 間被占據以容納輸入元件。雖然輸入元件自身占據相對小的面積，主 移位寄存器回路的寬度的任何增加以容納輸入元件一定對于回路的整 個長度而繼續。使用相對NOT門的交錯對插，從移位寄存器回路內 部去除數據輸入元件可以產生設備密度的兩倍系數差。因此，現在已經描述了使用單向和雙向驅動磁場的磁性電路移位 寄存器的備選方案的實例，全部都可以被驅動、寫入和讀出而不需要 到磁性電路的直接電氣連接。在一些實例中，電路也可以選擇性地從 其中刪除，而不需要到磁性電路的直接電氣連接。現在將參考圖15和16描述可以用來制造適合于在上述磁性設備 中使用的磁性電路的更多電路元件和構造的實例。圖15A顯示包括NOT門尖端71、扇出結72和交叉結73的磁 性邏輯電路。整個電路位于旋轉磁場(在該實例中逆時針旋轉)中。 NOT門以回路結構制造，使得至少一個疇壁將存在于回路中以允許 容易的實驗測試。但是，在本實例的電路中，圍繞圖15A中的回路 傳播的疇壁一定也經過交叉結構，如圖15B中示意指示的。為了在 測量之前獲得單個疇壁的清晰起始狀態，在使用低幅度旋轉磁場消滅 相鄰疇壁對之前，設備磁化首先在大(>200 Oe ( 15920 A/m ))磁 場中飽和。因為邏輯設備的同步特性，電路幾何形狀將圍繞NOT門/ 回路的疇壁傳播時間限定為通過NOT門1/2磁場周期以及每360。回 路1磁場周期。因此，單個疇壁往返行程花費5/2磁場周期，導致5 磁場周期磁化轉換周期。扇出元件形成該回路的一部分，但是不影響 疇壁往返行程時間。 一個扇出輸出反饋到回路中，而另一個延伸到長 臂中以提供讀出元件從而能夠監控回路磁化。在適當逆時針旋轉磁場內，來自圖15A中位置"*"的磁光Kerr 效應(MOKE)磁力測量指示5/2磁場周期的轉換周期(圖15C)， 證實NOT門、扇出和交叉元件正確地工作。因此圖15的電路提供簡單循環反轉，交替維持邏輯"1，，和"0，，狀態， 一次長達5/2磁場周 期。在四種邏輯體系結構元件(NOT、 AND、扇出和交叉)中，交 叉結實現起來可能最具挑戰性，因為它的操作可以對結的納米線尺寸 敏感。為了越過交叉元件73，疇壁必須在能夠沿著輸出線進一步傳播 之前擴展完全跨越結， 一種非常高成本的工藝。但是， 一定不允許疇 壁沿著垂直線方向傳播，否則將更改結構中的數字信息。相反地，傳 播通過扇出結的疇壁將隨著結變寬而從輸入線逐漸擴展，在當到達輸 出線時劃分成兩個單獨疇壁之前。在使用200nm寬度的磁線形成軌 道的本實例中，交叉具有下面的尺寸。對于全部四個方向上結的任意 一側500nm的距離，軌道窄至183nm寬度。軌道也基本上垂直相 遇，以便保證結用作交叉而不是扇出。關于如何可以形成交叉結的更 多細節可以在WO02/41492中找到。全部四種邏輯元件的集成在圖16A中顯示的納米線網絡中完 成，包括NOT門、AND門、兩個扇出結和一個交叉結。先前的工作 (C. C. Faulkner等人，7Vfl肌39， 2860 ( 2003 )和 WO02/41492)已經顯示，AND門輸出線的轉換磁場取決于輸入線的 任何一個都不、其中一個還是兩個都包含疇壁，轉換磁場隨著增加數 目的入射疇壁而減小。為了實現邏輯AND功能性，AND門在具有 DC場偏置Hjc的橢圓形旋轉磁場內操作。這類似于先前的偽AND 操作如何已經在其他單層磁性系統中實現(R. P. Cowbum， M. E. Welland，辨夢287， 1466 (2000)和D. A. Allwood等人， />/|>^.丄e汰81， 4005 (2002))。圖16A中磁性電路的剩余部分設計 成順序地向AND門提供兩輸入設備的全部四種可能邏輯輸入組合。 但是，所有線結必須能夠容忍DC場偏置，因為這被全局地施加。反饋回路內的NOT門81用作網絡剩余部分的信號發生器(經 由扇出82提供交替邏輯"1"和"0，，信號)。該NOT門81具有3磁場 周期轉換周期，因為需要三個周期圍繞回路傳播疇壁。該反饋回路因此將疇壁供給到回路外部并且到第二相繼扇出元件83，在那里疇壁 再次劃分成兩個路徑。圖16A中位置I的MOKE測量指示3磁場周 期的轉換周期(圖16B，跡線I)，證實NOT門81和相繼的扇出元 件82， 83正確地工作。在位置I和II之間(圖16A)，疇壁將延遲 1/2磁場周期，因為這是傳播疇壁通過該電路部分所需的全周期的量(參看圖16B，跡線II)。但是，為了使來自第二扇出結的疇壁到達 位置III，它們必須經過通過包含交叉結84而形成的另外回路，這在 該疇壁路徑中提供一個磁場周期的傳播延遲。因此，與位置II相比 較，位置III的磁化將延遲1個磁場周期(圖16B，跡線III)。位置 II和III處的磁化方向確定AND門85的邏輯輸入狀態。僅當兩個輸 入都是T時AND門的邏輯限定是它具有輸出值41，，并且對于所有其 他情況具有輸出'0，。磁性電路的位置IV的測量(圖16B,跡線IV) 顯示這是成立的(這里使用高MOKE信號指邏輯'l，的約定)，說明 AND門與其他三種元件類型一起正確地操作。因此，現在已經描述了由電路元件制造的實例電路，其可以在不 同組合中組合從而形成可操作執行復雜邏輯功能的磁性電路。參考圖 3， 4和5描述的數據寫入元件可以與這些更復雜的邏輯功能的任何 一起使用從而允許有效數據輸入到邏輯電路中。因此，可以使用多層 設備中的磁性電路執行復雜的邏輯功能，其中使用不具有到磁性電路 的直接電氣連接的電學電路驅動、寫入和讀出磁性電路。根據非常普通的熱力學基礎，在每個疇壁邏輯元件中消耗的能量 一定小于每個門輸出轉換2MsHaV，其中Ms是磁性材料的飽和磁化(對于坡莫合金為800 emu cm3，其中lemu=103Am2) ， Ha是外加 磁場的幅度并且V是在門以及它的輸出納米線中轉換的磁性材料的 體積。對于在該論文中描述的實驗設備，每個操作的能量的典型值是 10_5 pJ (室溫下2000kBT，其中KB是玻爾茲曼常數并且T是溫 度)，與對于200nm最小特征尺寸的CMOS的每個門的典型能量 10-2 pJ相比較。這可以允許大的3維疇壁邏輯電路操作而不會過 熱，應當注意，疇壁邏輯將不一定是低功耗技術，因為在產生磁場時可能存在相當大的低效性。通過將帶狀線用于局部磁場產生而使用小面積(幾百nm2)疇壁cmos混雜設備，絕對功耗可以保持低。但 是，通過自旋轉移的疇壁傳播可能最終完全解決這些低效性。疇壁邏輯的未來縮放性能取決于熱力學穩定性與所需外加磁場幅 度之間的相互作用。這兩個都取決于f，形成邏輯元件的納米線的寬 度。如果納米線的寬度和厚度一起縮放，則形狀各向異性保持不變。 為了首先排序，解決邏輯元件的制造邊緣粗糙性和不連續性所需的外 加磁場的強度因此保持恒定。在該情況下，每個門轉換的能量與磁性 材料的體積成比例，與fS成比例。因此，當f=70nm時，1.8nm厚 的磁性邏輯設備應當消耗3xl(T7 pJ (室溫下70kBT)，這是熱力學 穩定性的下限。為了 f的進一步減小，設備厚度應當通過與f"成比 例而增加以便保持每個門轉換的能量不變。這將引起形狀各向異性增 加，從而疇壁傳播通過線所需的外加磁場以及與線結相關聯的結構不 連續性。與mram —樣，縮放的最終限制將是當所需外加磁場變得 不切實際地大時。上面實例的一些的特定特征是不局限于放置電路時的2維平面。 不像光盤、磁帶和磁性硬盤存儲器一樣，不需要到電路表面的機械或 存取。而且，不像電子電路一樣，不需要到電路表面的電氣訪問。襯 底可能位于彼此頂上以形成3維邏輯結構。這具有允許實現更高電路 密度的優點。在數據存儲電路的情況下，實現非常高的數據存儲密度 因此是可能的。如果期望的話，結構中所有襯底可以共享相同的外加 旋轉磁場，從而保持層彼此同步并且減小設備的復雜度。電路可以配 置成輸入/輸出單個串行數據流，或者如果期望的話，可以通過并行 地使用幾個環或層而存儲多位寬度的數據字流。如上所迷基于磁性移位寄存器的存儲設備可以用于大量應用.應 當理解，對于存儲在這種設備中的數據的存取時間取決于每個移位寄 存器的大小(也就是位地址等待時間)和旋轉驅動磁場的時鐘速度。 不同存取時間的存儲器可以適合于不同的目的。例如，低存取時間的 存儲器可以執行通常與硬盤驅動器相關的功能，從而消除計算機內大量數據和程序存儲的機械可靠性問題。更高存取時間的存儲器可以用于例如袖珍數字音頻播放器例如MP3播放器的數字音樂的臨時存儲(該應用需要通常連續回放的數 字信息的低成本、非易失性、可重寫存儲)，數字照相機中數字照片 的臨時存儲(該功能當前由昂貴且具有有限數目重寫周期的閃速電子 存儲器實現)，移動電話、個人事務管理、掌上計算機以及SMART 卡的非易失性離線存儲。在上述電路和設備中使用的疇壁邏輯的一個具有吸引力的特征是 它的極大簡單性。邏輯NAND在CMOS中使用三個晶體管實現，然 而疇壁邏輯使用兩個元件(NOT和AND)。通常需要六個CMOS 晶體管的邏輯AND功能可以簡單地通過將兩個磁性納米線放在一起 而實現。事實是，不像硅CMOS體系結構一樣，疇壁交叉結可以在 單個平面內實現且不需要多級金屬化方法，原則上可以產生極低成本 的設備。雖然磁性邏輯的大多數應用(實際上自旋電子學的更寬領 域)將涉及包括基于硅的CMOS的混雜片上系統，某些應用例如生 物醫學植入或可佩帶計算硬件將受益于在例如柔性聚合物襯底上制造 設備的能力。可以想象構造成3維神經網絡或極密集3維非易失性存 儲器的納米線。如圖4中所示全都經由單個外加磁場提供電源、時 鐘、主復位和串行輸入的能力在信號存取受限的3維情況下特別具有 吸引力。也可能存在疇壁邏輯與新興稀釋鐵磁半導體接口的可能，這 允許磁化的電氣控制和感測。雖然已經相當詳細地描述了上述實施方案， 一旦完全理解上面的 公開內容，許多變化和修改將變得對本領域技術人員顯然。下面的權 利要求打算解釋為包括所有這種變化和修改以及它們的等價物。
權利要求
1.一種磁性邏輯設備，包括用于電學電路的大致平面的第一襯底；在第一襯底上以層疊排列形成、用于磁性電路的多個大致平面的第二襯底；每個所述第二襯底具有形成于其上的磁性電路；每個磁性電路具有多個邏輯元件，數據寫入元件和數據讀出元件；其中每個磁性電路的數據寫入元件在平面定位方面對應于第一襯底的各個磁電寫入元件；以及其中每個磁性電路的數據讀出元件在平面定位方面對應于第一襯底的各個磁電讀出元件。
2. 根據權利要求1的磁性邏輯設備，其中磁性邏輯元件包括至 少一個數據存儲元件。
3. 根據權利要求1或2的磁性邏輯設備，其中各個第二襯底由 非鐵磁層分離。
4. 根據權利要求3的磁性邏輯設備，其中非鐵磁層包括選自電 介質材料、聚合物材料和非鐵磁金屬材料的材料。
5. 根據任何一個前面權利要求的磁性邏輯設備，其中每個所述 第二襯底具有形成于其上的多個磁性電路。
6. 根據任何一個前面權利要求的磁性邏輯設備，其中磁性電路 由磁性材料的納米線形成。
7. 根據權利要求5的磁性邏輯設備，其中每個邏輯元件由納米 線之間的連接形成。
8. 根據任何一個前面權利要求的磁性邏輯設備，其中數據寫入 元件和數據讀出元件是物理單個元件。
9. 根據任何一個前面權利要求的磁性邏輯設備，還包括產生用 于驅動磁性電路的旋轉磁場的磁場發生器。
10. 根據權利要求9的磁性邏輯設備，其中磁場發生器可操作以 在順時針和/或逆時針方向上產生磁場。
11. 根據任何一個前面權利要求的磁性邏輯設備，其中數據寫入 元件包括邏輯NOT門的放大殘端。
12. 根據任何一個前面權利要求的磁性邏輯設備，其中數據寫入 元件包括矯頑性低于相鄰電路部分的電路部分。
13. 根據權利要求12的磁性邏輯設備，其中形成矯頑性低于相 鄰電路部分的電路部分具有與相鄰電路部分不同的幾何形狀。
14. 根據任何一個前面權利要求的磁性邏輯設備，其中磁性電路 還包括擦除部分。
15. 根據權利要求14的磁性邏輯設備，其中擦除部分在平面定 位方面對應于第一襯底的各個電氣擦除部分。
16. 根據任何一個前面權利要求的磁性邏輯設備，其中第一個第 二襯底中磁性電路的寫入部分和讀出部分從第二個第二襯底中磁性電 路的寫入部分和讀出部分偏移。
17. 根據任何一個前面權利要求的磁性邏輯設備，其中磁性電路 的磁性取決于電路的物理幾何形狀。
18. —種包括根據任何一個前面權利要求的磁性邏輯設備的數據 存儲設備。
19. 一種磁性電路設備，包括以層疊排列形成的多個大致平面的襯底，每個所述襯底具有形成 于其上的磁性電路；每個磁性電路具有多個邏輯元件，數據寫入元件和數據讀出元件；其中每個磁性電路的數據寫入元件在平面定位方面對應于各個磁 電寫入元件的預期位置；以及其中每個磁性電路的數據讀出元件在平面定位方面對應于各個磁 電讀出元件的預期位置。
20. 根據權利要求19的磁性電路設備，其中各個第二襯底由非鐵磁層分離。
21. 根據權利要求20的磁性電路設備，其中非鐵磁層包括選自 電介質材料、聚合物材料和非鐵磁金屬材料的材料。
22. 根據權利要求19-21的任何一個的磁性電路設備，其中每個 所述笫二襯底具有形成于其上的多個磁性電路。
23. 根據權利要求19-22的任何一個的磁性電路設備，其中磁性 電路由磁性材料的納米線形成。
24. 根據權利要求19-23的任何一個的磁性電路設備，其中數據 寫入元件和數據讀出元件是物理單個元件。
25. 根據權利要求19-24的任何一個的磁性電路設備，其中每個 磁性電路可操作以由旋轉磁場驅動。
26. 根據權利要求19-25的任何一個的磁性電路設備，其中數據 寫入元件包括邏輯NOT門的放大殘端。
27. 根據權利要求19-26的任何一個的磁性電路設備，其中數據 寫入元件包括矯頑性低于相鄰電路部分的電路部分。
28. 根據權利要求27的磁性電路設備，其中形成矯頑性低于相 鄰電路部分的電路部分具有與相鄰電路部分不同的幾何形狀。
29. 根據權利要求19-28的任何一個的磁性電路設備，其中磁性 電路還包括擦除部分。
30. 根據權利要求29的磁性電路設備，其中擦除部分在平面定 位方面對應于各個磁電擦除元件的預期位置。
31. 根據權利要求19-30的任何一個的磁性電路設備，其中第一 襯底中磁性電路的寫入部分和讀出部分從笫二襯底中磁性電路的寫入 部分和讀出部分偏移。
32. 根據權利要求19-31的任何一個的磁性電路設備，其中磁性 電路的磁性取決于電路的物理幾何形狀。
33. —種包括根據任何一個權利要求19-32的磁性電路設備的數 據存儲設備。
34. —種制造磁性邏輯設備的方法，該方法包括在第一襯底上形成電學電路，電學電路包括多個磁電寫入元件和讀出元件；在第一襯底上以層疊排列形成多個大致平面的第二襯底，每個所 述第二襯底具有形成于其上的磁性電路；其中每個磁性電路包括多個邏輯元件，數據寫入元件和數據讀出 元件；以及其中每個磁性電路的數據寫入元件在平面定位方面對應于第一襯 底的各個磁電寫入元件；以及其中每個磁性電路的數據讀出元件在平面定位方面對應于第一襯 底的各個磁電讀出元件。
35. —種制造磁性邏輯設備的方法，該方法包括 在第一襯底上形成包括電學電路的第一設備部分，電學電路包括多個磁電寫入元件和讀出元件；在第三村底上形成包括層疊排列的多個大致平面的第二襯底的第 二設備部分，每個所述第二襯底具有形成于其上的磁性電路，磁性電 路包括多個邏輯元件，數據寫入元件和數據讀出元件；以及連接第 一和第二設備部分，使得第二襯底排列在第 一和第三襯底 之間，并且使得每個磁性電路的數據寫入元件在平面定位方面對應于 第一襯底的各個磁電寫入元件，以及每個磁性電路的數據讀出元件在 平面定位方面對應于第 一襯底的各個磁電讀出元件。
36. —種制造存儲設備的方法，包括根據權利要求24或35制造 磁性邏輯設備以及將磁性邏輯設備合并到存儲設備中。
37. —種將數據寫入磁性電路的方法，該方法包括 在旋轉磁場中定位磁性電路；以及 調制磁性電路的至少數據寫入元件位置中的旋轉磁場。
38. 根據權利要求37的方法，其中數據寫入元件包括矯頑性低 于相鄰電路部分的電路部分。
39. 根據權利要求37或38的方法，其中磁性電路不電連接到場 調制源。
40. —種基本上如上文參考圖3-16的任何一個描述的磁性邏輯 設備。
41. 一種基本上如上文參考圖3-16的任何一個描述的磁性電路。
42. —種基本上如上文參考圖3-16的任何一個描述的存儲設備。
43. —種基本上如上文參考圖3-16的任何一個描述的制造磁性 邏輯設備的方法。
44. 一種基本上如上文參考圖3-16的任何一個描述的將數據寫 入磁性電路的方法。
全文摘要
一種磁性邏輯設備，可以包括用于電學電路的大致平面的第一襯底，以及在第一襯底上以層疊排列形成、用于磁性電路的多個大致平面的第二襯底。每個所述第二襯底可以具有形成于其上的磁性電路，并且每個磁性電路可以具有多個邏輯元件，數據寫入元件和數據讀出元件。每個磁性電路的數據寫入元件在平面定位方面可以對應于第一襯底的各個磁電寫入元件，并且每個磁性電路的數據讀出元件在平面定位方面可以對應于第一襯底的各個磁電讀出元件。
文檔編號G11C19/00GK101273412SQ200680035348
公開日2008年9月24日 申請日期2006年7月19日 優先權日2005年8月3日
發明者丹·奧爾伍德, 魯塞爾·P·考伯恩 申請人:英根亞技術有限公司