DE1764304A1

DE1764304A1 - Verfahren zur Herstellung anisotroper magnetischer Schichten und aus diesen Schichten gefertigte Speicherelemente

Info

Publication number: DE1764304A1
Application number: DE19681764304
Authority: DE
Inventors: Wolf Irving W
Original assignee: Ampex Corp
Current assignee: Ampex Corp
Priority date: 1967-05-22
Filing date: 1968-05-13
Publication date: 1972-08-03
Also published as: FR1578973A; US3524173A; GB1193775A; NL6807259A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÖNCHEN 27, DEN

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

Kr/T S
Ampex, 401 Broadway Redwood City, California, U.S.A.

Verfahren zur Herstellung anisotroper magnetieeher Schichten und aus diesen Schichten gefertigte Speicherelemente.

Es ist bereits bekannt, daß eine strenge Beschränkung auf Bit-Dichten, die mit Magnetschichtspeicherelementen mit offenem magnetischen Pluß erhältlich sind von einem in Speicherschichten auftretenden und als "Kriechen" bezeichneten Phänomen begleitet ist. Das Kriechen tritt bei Kombination mehrerer ungünstiger Bedingungen in einem Speicherelement auf. Hierdurch können ein Bit-Strom, ein Streufeld eines benachbarten Wortstromes und gegebenenfalls ein Streufluß von benachbarten Bits derart koinzidieren, daß eine Zerstörung eines eingeschriebenen Bits erfolgen kann. Unter diesen Voraussetzungen kann im Speicherelement eine Umkehr der MagnetisierungBrichtung erfolgen, nachdem es wiederholten Impulsen des benachbarten Wortstromee aus-

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gesetzt war. Die Impulezahl kann hierbei sehr groß sein, 2.B. mehrere Tausend betragen, bla eine wesentliche Zerstörung des eingeschriebenen Bits eintritt·

Es ist auch bekannt, dafl das Phänomen dee Kriechens erheblich reduziert wird, wenn die Dicke der magnetieierbaren Schicht 400 X oder weniger beträgt. Bei dieser Dicke bilden eich keine Staohelwände sondern Neel-Wände. Der Widerstand gegen Krieohen ist daher vermutlich darauf zurückzuführen, daß leel-Wände nioht so leicht zum Krieohen gebracht werden können, wie Stachelwände. Da jedoch die WandkoersitlTkräfte in diesen beiden Fällen etwas unterschiedlich und dis Selbstentmagnetisierungseffekte nioht gleich slat, bildet sieh keim, sine« bestimmten Ischanismus folgender Wideretand der dünnen Schichten gegsn das Irischen· S* es folglioh höchst vorteilhaft 1st» Speicherelemente mit einer Dicke von 400 £ oder weniger zu verwenden, ist es srforderlioh, entweder mit den durch Als dünneren Sehlchtcioken bedingten, sehr kleinen Ausgangssignalen zu arbeiten oder eine Anordnung zu Verwendern, die zwar το» der Ietl-Vandstruktur Oebrauoh maest, jedoeh Ausgamgsslgnale liefert, die mit dsn Auegangssignalen dickerer Sohiohten vergleichbar sind.

Die bislang auf dioks odsr grobkörnige elektrisch leitende Substrats galvanisch niedergeschlagenem, dünnen magnetischen Sohiohten besitzen eine eohlechte Qualität, da sie bsi Sohlohtdioken in der Größenordnung von 1000 £ oder weniger sine sehr große Dispersion der 1* lohten Achse der Magnetisierung (easy aooess dispersion) besaßen. Die geringe Quall-

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tat der bereits bekannten dünnen Schichten ist darauf zurückzuführen, daß zwischen den Kristallen im metallischen Substrat und den auf dieses Substrat aufgebrachten Atomen eine erhebliche Wechselwirkung stattfindet. Die Kristallanisotropie trägt daher zu einem Anwachsen der Dispersion bei. Darüberhinaus ist es bekannt, daß die Mikrorauhigkeit der Substrate normalerweise zur Dispersion führt. Da es sehr schwierig ist auf einem "metallurgisch behandelten" Metall eine mikroskopisch glatte Oberfläche zu erzeugen, ist es unmöglich auf diese Flächen, dünne magnetische Schichten aufzubringen, die sich durch gute Eigenschaften auszeichnen.

Derzeit werden vorwiegend durch Aufdampfen sogenannte Sandwich oder Doppelkern (bicore) Konstruktionen für magnetische Schichtspeicherelemente hergestellt. Dieses Verfahren erfordert als ersten Schritt das Aufdampfen eines Magnetschichtmaterials, wie z.B. einer Nickel-Eisen-Legierung (Permalloy) auf ein Substrat, wonach die dünne magnetische Schicht durch ein Photoätzverfahren einer weiteren Behandlung unterzogen wird. Beim zweiten Verfahrensschritt wird eine Trenn- bzw. Zwischenschicht aus Siliciummonoxid auf die magnetische Schicht aufgedampft. Beim dritten Verfahrensschritt wird eine zweite Schicht aus einer Nickel-Eisen-Legierung auf die Siliciummonoxidschicht aufgedampft und anschließend durch Photoätzen weiter behandelt, um auf den beiden magnetisierbaren Schichten wenigstens nahezu vollständig deckungsgleich zueinander ausgerichtete magnetisierbare Bereiche zu schaffen. Das Erfordernis der zweimaligen Anwendung des Photoätzverfahrens und die sehr

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schwierige Ausrichtung der magnetisierbarer: Bereiche lassen dieses Verfahren wenig zweckmäßig erscheinen·

Zur Schaffung einer Sandwich-Struktur bei welcher die niedergeschlagenen magnetischen Schichten eine für ihre Benutzung in schnellen und großen mage^itischen Speichern ausreichend hohe Qualität aufweisen, wurden daher bei bereits bekannten Anordnungen verschiedene Zwischen- bzw. Trennschichten verwendet· Die hierbei erzielten Ergebnisse sind jedoch im allgemeinen unbefriedigend, da die Photoätzung der Sandwich-Anordnung in einem Arbeitsschritt äußerst schwierig durchführbar ist. Das Material dieser Zwischenschichten muß elektrisch leitend, nicht magnetisch und mit einem Ätzmittel photoätzbar sein, welches die Nickel-Eisen-Legierung nicht wesentlich angreift· Darüberhinaus muß das Zwiachenschichtmaterial ausreichend feinkörnig sein, so daß eine magnet Js ehe Schicht auf das Zwischenschichtmaterial aufgebracht werden kann, die sich durch eine niedrige Dispersion auszeichnet·

Die vorliegende Erfindung sieht eine Gruppe von Materialien und ein Verfahren zum Niederschlag eines Materials dieser Gruppe vor, um eine feinkörnige nichtmagnetische Zwischenschicht mit einer Dicke von z.B. 2000 - 4000 Ä zu bilden, wobei nur ein einmaliges Fhotoätzen erforderlich ist· In vorliegendem Fall wird eine Schicht als feinkörnig bezeichnet, wenn die Korngröße gleich oder kleiner als eine Domänenwanddicke 1st· Die Zwischenschicht

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bewirkt eine mikoskopisch rauhe "Grlättung" jedes als Substrat verwendeten Materials, so d&^ eine auf die glättende Schicht aufgebrachte magnetische Schicht ausreichend gegen die Beeinflussung durch das Substratmaterial isoliert ißt, um die magnetischen Eigenschaften der niedergeschlagenen magnetischen Schicht erheblich zuyerbessern· Die erhaltene Schicht besitzt die gute Anisotropie und die niedrigen Dispersionseigenschaften der üblichen hochqualifizierten magnetischen Schichten, die gegenwärtig nur durch Niederschlag auf glatte Oberflächen wie Glas ^rhältiilich sind. Die Möglichkeit, hochqualitative magnetische Schichten unmittelbar auf elektrisch leitendem Substratmaterial anzuordnen, führt zu einer erheblich vereinfachten Fertigung von magnetischen Dünnschicht-Strukturen in Sandwich-Anordnung oder mit geschlossenem Fluß·

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbare Sandwich-Anordnung ermöglicht bei Verwendung einer Nickel-Eisen-Legierung (Permalloy) die Schaffung sehr dünner magnetischer Schichten mit einer Dicke von z.B. 400 X oder weniger. Diese Schichten weisen ia Unterschied zu den üblichen Stachelwänden der dickeren Schichten magnetische Domänen mit Neel-Wänden auf und ermöglichen die Herstellung von stapelartig ausgebildeten Strukturen, deren Gesamtaagnetschichtdicke so groß ist, daß bedeutende Ausgangssignale erzeugbar sind. DurAi die Erfindung wird ein Verfahren und ein durch dieses Verfahren herstelllarer Gegenstand geschaffen, der vergleichsweise einfach herstellbar ist, da nur eine Photoätzung erforderlich ist, um diese vorteilhafte Sandwich-Anordnung zu fertigen·

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher

erläutert. Darin zeigt:

Figur 1 in Blockschema eine schematische Barstellung des erfindungsgemäßen Verfahrene zur Herstellung der Speicherelemente*

Figur 2, 3» 4 Querschnitte durch verschiedene Ausführungebeispiele von erfindungsgemäßen Speicherelementen in Sandwich-Struktur

Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines

mit erfindungsgemäßen Speicherelementen ausgerüsteten Speichers.

Wie bereits erwähnt, zeigt die Fig. 1 in Blooksobema die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Arteitsechritte· Bi -*ig. 2 ist hiersei ein Speicherelement 10 dargestellt, das ein aus dem üblichen Material wie Glas, Polyester oder Metall gebildetes Substrat 12 aufweist, das als Träger einer ersten magnetischen Schicht 14 dient. Falls das Substrat 12 aus Glas oder Polyester gefertigt ist, wird zum g]|)avanieohen niederschlag der magnetischen Schicht 14 eine elelctrifch leitende Schicht 15 durch Aufsprühen oder Aufdampfen auf das Substrat aufgebracht. Bei Verwendung eines metallischen Substrats 12 erübrigt sich eine elektrisch leitende Schicht. Vaoh dieser Behandlung wird das Substrat 12 in eine übliche galvanische Lösung gebracht und die magnetische Schicht 14 gemäß Arbeiteechritt 2 des Verfahrens galvanisch auf das Substrat niedergeschlagen« Beim

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dritten Arbeitsechritt des ^verfahrene wird daß Substrat 12 samt Schicht 14 in eine entsprechende Badlösung gebracht und eine nichtmagnetische Schicht 16 bestimmter Dicke auf das Substrat niedergeschlagen. Die Korngröße des Materials der Schicht 16 ist gleich oder kleiner als eine Domänenwanddicke. Beim vierten Arbeitsschritt wird einefzweite magnetische Schicht 18 auf die Schicht 16 galvanisch niedergeschlagen. Die erhaltene Sandwich-Struktur wird dann gemäß Arbeitsschritt 5 photogeätzt, wobei übliche Photo-Widerstandsverfahren und das übliche Eisenchloridätzmittel verwendet werden. Bei Verwendung dieses Ätzmittels verbleibt jedoch etwas Nickel-Phosphit. Um diese im allgemeinen\sch ad liehe Schicht abzulösen, wird die -"-nordnung in verdünnte Salpetersäure getaucht, wobei der Photowiderstand beibehalten wird. Nach Beendigung des Photoätz»erfahrens verbleibt erfindungsgemäß ein Substrat auf das z.B. nach Fig. 5 eine Vielzahl in Abstand zueinander angeordnete "Flecken" oder Sandwich-Speicherelemente aufgebracht ist. Diese Anordnungen bilden die Speicherkomponenten eines Speichersysteme.

Das bevorzugte Verfahren nach der Erfindung verwendet ein Niekel-Phosphor-Material als nichtmagnetische feinkörnige Schicht 16. Folglich besteht das zum galvanischen Niederschlagen des Nickel-Phosphors dienende Bad aus einer Löeung, die Nickel-Ionen und Phosphor-Verbindungen, wie Hypophosphit-Ionen enthält. Die Hypophosphit-Ionenkonzentration soll so hoch sein, daß der erzeugte Film bei Zimmertemperatur kleinen

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PerromagnetißmuB .ufweist· Der zur Unterdrückung ftrromag-

netiBcher Eigenschaften erforderliche Ph^psphoranteil in der Schicht beträgt etwa 10$. *'ür die vorliegend beschriebenen Zwecke kann der Phosphoranteil in der Nickel-Phosphor-Schicht erheblich über diesem Betrag liegen.

Die Nickel-Phosphor-Schicht kann beispielsweise aus Sulfat und SuIfamat-Bädern niedergeschlagen werden, wobei zur Schaffung einer nichtmagnetischen Schicht ein ausreichend hoher Hypophosphit-Ionenanteil gewählt wird. In den nachstehenden Tabellen I und II sind beispielsweise die Zusammensetzungen für ein Nicke1-Smlfamatbad bzw. Sulfat-Chloridbad aufgeführt, aus de» die Nickel-Fhosphor-Schicht niedergeschlagen wird.

Tabelle I

500 ml/Liter vorrätiges Nickel-Sulfamat (Hansen, Van Winkle & Munning) 47# bolmac 20 gr/Liter H₅BO₅ (Borsäure)

25 gr/Liter NaGl

0.2 gr/Liter Natrium-Lauryl-Sulfat 1.5 gr/Liter Natrium-Dieulfonat 5 gr/Liter Saccharin

ein variabler Anteil an Natrium-Hypophosphi+ z. B. 10 bis 50 gr/Liter

Tabelle II

250 gr/Liter NiSO₄·

25 gr/Liter H₅BO₅ (Borsäure)

25 gr/Liter NaCl

0.1 gr/Liter Natrium-Lauryl-Sulfat 1.5 gr/Liter Natrium-Disulfonat

5 gr/Liter Saccharin _ _Q

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ein varibler Anteil an Natrium Hypophosphid, z.B. 10 bis 50 gr/Liter.

Bei Verwendung von Natrium-Hypophosphit in Mengen von 20 gr/ Liter ist eine nichtmagnetische Schicht 16 herstellbar. Zur Gewährleistung eines mehr als erforderlichen Anteiles an Phosphor in der gebildeten Platte können zusätzliche 10 gr/Liter hinzugefügt werden· Eine standardisierte Hyρophοsphit-Konzentrat ion kann daher 30 gr/Liter enthalten.

Die Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speicherelementes 20, das ebenfalls ein Substrat 12 und zwei magnetische Schichten 14 und 18 aufweist« Die nichtmagnetische Schicht 16 des Speicherelements nach Pig. 2 ist jedoch durch eine Schicht 22 aus einem bekannten nxchtmagnetischen, feinkörnigen und ätzbaren Material und durch eine auf diese Schicht aufgebrachte nichtmagnetische, feinkörnige Schicht 24 ersetzt, die z.B. aus einem dem Material der Schicht 16 nach Fig. 2 entsprechenden Nickel-Phosphor· besteht.

Es ist bereits bekannt, magnetische Schichten niedriger Dispersion galvanisch auf aufgestäubte Goldsubstrate niederzuschlagen. Darüberhinaus ist es bekannt, daß die Dispersion von der Größe der Kiistalle der Goldschicht abhängt und daß zur Schaffung einer niedrigen Dispersion die Dicke der Goldschicht etwa 200 1 nicht überschreiten darf. Dies führt während des galvanischen Niederschlages jedoch zu einem erheblichen

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ohmschen Widerstand in der leitenden Goldschicht. Zur Behebung dee Problems des hohen Substratwiderstandee sieht die Erfindung gemäß Fig, 4 eine Zwischenschicht aus nichtmagneti&chem feinkörnigem Material vor. Erfindungsgemäß dient daher das nichtmagnetische Material als eine "glättende" Schicht, die auf eine dickere als normal übliche und damit grobkörnigere aufgestäubte Goldschicht aufgebracht wird. Zur Fertigung eines Substrates 12 wird hierbei (siehe Fig. 4) eine z.B. 1000 £ dicke Goldschicht 26 auf das Substrat 12 niedergeschlagen. Anschließend wird auf diese Goldschicht - wie bereite erwähnt -eine Nickel-Phosphor-Schicht 28 galvanisch aufgebracht, um eine glatte Oberfläche zu schaffen, auf die eine magnetische Schicht 14 niedriger Dispersion niedergeschlagen werden kann. Schließlich wird gemäß Fig. 2 eine weitere Nickel-Phosphor-Schicht 16 und auf diese eine zweite magnetische Schicht 18 aufgebracht. Die Dicke der Schicht 28 aus nichtmagnetischem Nickel-Phosphor-Material kann z.B. 2000 £ betragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht unter Verwendung der Sandwich-Struktur der Anordnung nach Fig. 2 die Fertigung eines Speicherbezirkes 32, wobei beispielsweise das mehrlagige Speicherelement 10 zur Schaffung einzelner rechteckförmiger Bits 34 photogeätzt ist. Die Abmessungen der Bits können beispielsweise 0,254 x 1,52 mm betragen. Der Speicherbezirk 32 ist mit senkrecht zueinander ausgerichteten Ansteuer- und Leseleitungen 36 und 38 versehen, die gemäß Fig. 5 benachbart zu den jeweiligen Speicherelementen angeordnet und zu den jeweiligen Speicher-

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elementreihen ausgerichtet sind. Die zum Einschreiben und Auslesen der gespeicherten Information dienenden Steuerfelder werden in üblicherweise an die rechteckförmigen Bits 34 angelegt.

Falls die Dicke der magnetischen Schicht 14 und 18 bei Verwendung einer magnetrostriktionsfreien Nickel-Eisen-Legierung (Permalloy) ausreichend dünn, z.B. 400 £ oder kleiner ist, weist die fertige Anordnung bei Verwendung für wortorganisierte Speichersysteme einen verbesserten Kriech-Störwiderstand auf. In dieser Anordnung kann die Gesamtdicke der Magnetschicht 800 Ä oder etwa das Doppelte der zulässigen Dicke für eine Einzelschicht betragen.

Vorzugsweise ist die nichtmagnetische Zwischen- bzw. Trennschicht z.B. die Schicht 16, 22, 24, 28 so dick, daß zwischen den Domänenwänden der benachbarten magnetischen Schichten 14, 18, keine Wechselwirkung erfolgt. Es hat sich gezeigt, daß bei einem Abstand zwischen den magnetischen Schichten von etwa 2000 £ Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Schichten unterbunden werden.

- Patentansprüche -

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Claims

Γ a t e η tantprücht

1· Verfahren zum Aulbringen einer anisotropen mftfc-netiechen .:ohicht *uf ein dickee, ..robkiirnieee "ubetret, ♦ durch ^ekenneoichnct, daü «ine plattende : chloht _V1C) oub (Inen feinkörnigen, nlchtra· _;-netIndien >»tcrial ui" d<e ubetriit, und nuf 'iifii' (:lHtt' nde c icht <He »-.n*BO rope narWAi ehe : c< icj t ' ufgobr· cht .ir·»·

2· Verfahren naoh Anspruch 1, -iadurc ^ ekeiinzcic not, n

•'ic tflMttend« chicht(16 b v. · 2«', 24} «ue einem ü«d b«ftiBUit«r o ^nlvani ch ebge: chit den v-'ird·

3. Vt-rfahren nach einem der vorhergehenden Ariepriich«, Λ duroh gekenneeloluifct, daß nie feink.rni_c;t?e niohtmngr«tiKchte Uaterlal Kickel-] hotphor, Chrom, nichtrangnttiechei? K.ickel-Chrom oder Ubdiura Tfrwenaet vird.

4· Verfahren sur ^«-reteJlunf, eines eeetjjtite ohichten (r>ndv.jch-i.^;*ruktur) ufwei«t/jder : p< ich«rc mit einer treten und mit einer zeiten mpf,netit;chtr chicht, dadurch ^fkennEelohntt, IaO dne :ubeirat 12)»it einer . lttttn OfcrrflHch« versehen «ird_v da· mf 6pb :-übet ret eine trete magnetiaohi- oh loht (14} r<uf gebrach χ wird, del. nut dlt »rate magnetische lohicht eine chicht (1C b w. 22, 24) tue feinkurnige«, nlchtmagnetische« KhptIiI aufgebracht ird, und dag ein« SMClte βη,',ηβtische ohloht (13) nuf die chicht aus fein-, nlohtna^netlache· Material <"ufgebr«oht wird·

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5· Verfahren nach Anspruch 4, diiduroh gekennzeichnet, daß dae Substrat (12) mit einer alstten üb rflr'iche versehen vird, daß auf das ubstrat eine trete magnetisch*- Schicht (14) aufgebracht wird, daß nuf die träte magnetische Schicht eine Schicht (16 bzw. 2, 24) rus feinkörnigem, nichtmagnetischem Material nufgebracht wird, daß cine zweite magnetische Schicht (1ü) auf die Schicht tue feinkörnigem, nAehtmagnetischem Material aufgebracht wird und daß die derart gebildete *;estapelte magnetische Schichten aufweisende Anordnung durch das Phocoätzv^rfehren in eine Vielzahl von Speicherelementen (34) unterteilt wird.

6. Wach .eni&stene einem der vorhergehenden Ansprüchen hergestelltes Speicherelement, gekennzeichnet uurch ein L'utstrat (12), eine auf dieses Jubsurat aufgebrachte erste «lünne magnetiiche \ chicht (14), eine auf diese .maünetiBChe schicht aufgebrachte Schicht (16 bzw. 22,24) bestimmterLick· aus feinkörnigem, nichtmagneti&chem Material und eine auf ti it se nichtmagnetische Schicht aufgebrachte zweite dünne magnetische Schicht (18).

7· Speicherelement nach Anspruch S₉ dadurch gekennzeichnet, daß die dem Substrat (12) benachbarte dilnne magnetische Schicht (14) auf eine zusätzliche Schicht (2B) iois einem feinkörnigen, nichtmagnetisehen Material aufgebracht ist.

3. Speicherelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

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