DE1764616A1

DE1764616A1 - Thin ferromagnetic storage layer

Info

Publication number: DE1764616A1
Application number: DE19681764616
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl-Phys Dr Stemme
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1968-07-05
Filing date: 1968-07-05
Publication date: 1971-09-09

Description

"Dünne ferromagnetische Speicherschi.cht#t Die Erfindung betrifft eine dünne ferromagnetische Speicherschicht mit einer Vorzugsrichtung der Magnetisierung@die in jeweils ein bit speichernde Gebiete aufgeteilt ist, Ferromagnetische Dünnschichtspeicher mit einer Vorzugsrichtung der Magnetisierung sind bekannt. Wegen der geringen Kosten ihrer Tierstellung, ihrer hohen Schaltgeschwindigkeit und der-Möglichkeit, sie innerhalb integrierter Schaltkreise zu verwenden, worden sie eine wichtige Rolle in der Technik der Datenverarbeitung spielen, wenn es gelingt, einige Schwierigkeiten, mit denen die Dünnschichtspeichertechnik im Moment noch behaftet ist, 3n: wirtschaftlich vertretbarer Weise zu lösen, Zu diesen Schwierigkeiten ist in erster Linie das Auftreten unerwünschter Wandprozesse, vor allem ein Wandkriechen unter dem Einfloß von Impuls- bzw. Wechselfeldern kleiner Amplitude, zu rechnen."Thin Ferromagnetic Storage Films The invention relates to a thin ferromagnetic storage layer with a preferred direction of magnetization @ die is divided into areas that store one bit each, ferromagnetic thin-film memory with a preferred direction of magnetization are known. Because of the low cost their animal position, their high switching speed and the ability to keep them within Using integrated circuits, they have played an important role in technology of computing play if it succeeds in some difficulties with which thin-film storage technology is still affected at the moment, 3n: more economically viable Way to solve To these troubles is primarily this Occurrence of undesirable wall processes, especially wall creeping under the inflow of impulse or alternating fields of small amplitude to be expected.

Diese Wandprozesse werden dadurch hervorgerufen, daßvon Keimen°an den Schichträndern, aus - Bereiche mit einer Magnetisierungsrichtung, die derjenigen der übrigen Schicht entgegengesetzt gerichtet ist, in die Schicht hineinzuwachsen beginnen. Die Zonen unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung sind dabei durch "Wände" voneinander getrennt: Durch das Wachsen dieser Bereiche wird die Schicht schließlich völlig ummagnetisiert.These wall processes are caused by the fact that from germination onwards the layer edges, from - areas with a direction of magnetization that corresponds to that the rest of the layer is directed opposite to grow into the layer kick off. The zones with different directions of magnetization are defined by "walls" separated from each other: as these areas grow, the layer will eventually become completely magnetized.

Im Schichtspeicher wird ein anderer UmmagnetisierungAvorgang technisch ausgenutzt, der als Rotationsschalten bezeichnet wird und mit großer Geschwindigkeit abläuft. Er wird hervorgerufen durch ein äußeres Magnetfeld, das eine der Magnetisierung der Schicht entgegengesetzte Komponente aufweist und einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, Das Rotationsschalten führt ebenfalls zu einer Drehung der Magnetisierung um 'f800.Another magnetic reversal process becomes technical in the stratified storage tank exploited what is referred to as rotary switching and at great speed expires. It is caused by an external magnetic field, which is one of the magnetization the opposite component of the layer and a certain critical Value exceeds, The rotation switching also leads to a rotation of the magnetization at 'f800.

Bei Anwendung dieser Technik ist das Auftreten des Wand-, kriechens umso unangenehmer, als die Kembi«!i4u,am Rande praktisch unvermeidbar ist und sich die Wandverschiebungen im Laufe der Zeit derart aufeummieren können.When using this technique, wall-creep occurs all the more unpleasant as the Kembi «! i4u, on the edge practically unavoidable and the wall displacements can accumulate over time.

Zur Unterdrückung des Wandkriechens ist es bekannt, die Speicherschichten als Doppelschicht auszubilden. Sie bestehen hierbei z. B. *aus zwei Permalloyschichten von je 200 bis 300 AS Dicke' die durch eine- sehr dünne (etwa 20 AE) unmagnetische Schicht, z. B. Gold, voneinander getrennt sind: Diese unterschiedlichen Schichten müssen nacheinander aufgedampft werden, wobei besonders die Herstellung der nur wenige Atomlagen umfassenden Zwischenschicht außerordentlich-schwierig ist, da sie leicht oxidiert und: durch Diffusion aus den Nachbarschichten mit Fremdatomen durchsetzt werden kann, Auch die genaue- Einha;.tung ihrer Dicke ist nicht einfach; hierzu kommt, daß die Herstellung einer Doppelschicht nur auf relativ geringe Gesamtdicken des magnetischen Materials anwendbar ist. ` Eins andere bekannte Möglichkeit zur Verhinderung: der störenden:Wandprozesse besteht in der Ausbildung der magnetisahen Speicherschicht als Mosaikschicht. Eine solche Mosaikschicht ist aus einer großen Zahl sehr kleiner, eng benachbarter Flecken aufgebaut, wobei jedes einzelne bit in Gebieten der Schicht gespeichert wird, die jeweils eine größere Zahl von Flecken umfassen. Auch die Herstellung einer solchen Mosaikschicht ist technologisch aufwendig.To suppress wall creep, it is known to design the storage layers as a double layer. You consist here, for. B. * from two Permalloy layers of 200 to 300 AS thickness' each through a very thin (about 20 AU) non-magnetic layer, z. B. gold, are separated from each other: These different layers have to be vapor-deposited one after the other, whereby the production of the intermediate layer comprising only a few atomic layers is extremely difficult because it is easily oxidized and: by diffusion from the neighboring layers, foreign atoms can also be penetrated exact compliance with their thickness is not easy; In addition, the production of a double layer can only be used for relatively small total thicknesses of the magnetic material. Another well-known possibility of prevention: the disruptive wall processes consists in the formation of the magnetic storage layer as a mosaic layer. Such a mosaic layer is made up of a large number of very small, closely spaced spots, each individual bit being stored in areas of the layer which each comprise a larger number of spots. The production of such a mosaic layer is also technologically complex.

Bei den bekannten Achichten-tritt noch ein weiterer Nachteil aufi der anhand von Fig. 1 näher erläutert werden soll. In Fig. 1 ist eine magnetische Schicht 1 mit einer Vorzugsachle der Magnetisierung 2 dargestellt. Die Richtung der Magnetisierung sei durch den Pfeil 9 bestimmt, Innerhalb des Bereiches 3, der durch "Wände" von der übrigen Schicht getrennt ist, besitzt sie jedoch die entgegengesetzte Magnetisierungsrichtung 4: Wie schon angegeben, kann nun der Bereich 3 unter dem Einfluß hinreichend großer äußerer magnetischer Fe1Aer in die übrige Schicht 1 hineinwachsen und diese durch .Wandverschiebungen =magnetisieren. Hierbei kann der Bereich 3 in den Richtungen 6, 7 oder 8 wachsen.With the known Achichten another disadvantage arises which is to be explained in more detail with reference to FIG. In Fig. 1 is a magnetic Layer 1 is shown with a preferred axis of magnetization 2. The direction the magnetization is determined by the arrow 9, within the area 3, the is separated from the rest of the layer by "walls", it has the opposite layer Direction of magnetization 4: As already indicated, the area 3 below the Influence of sufficiently large external magnetic Fe1Aer grow into the rest of the layer 1 and magnetize them by .wall shifts =. The area 3 in grow in directions 6, 7 or 8.

Die genannten Methoden zur Unterdrückung des Wandkriechens betreffen nun im wesentlichen die seitlichen Wandverschiebungen in den Richtungen 6 und ?, nicht jedoch das Wachstum in Richtung 8, d. h. das Wachstum der Spitze 10 des Bereiches 3. Das Spitzenwachstum beruht darauf, daß von der Spitze 10 magnetische Streufelder ausgehen, die die Ummagnetisierung der Schicht 1 in der Nähe der Spbze 10 begünstigen, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Streufelder zu verringern und damit das Spitzenwachstum von Bereichen entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung zu unterdrücken, Die Erfindung besteht darin:, daß auf oder in der Nähe wenigstens einer der Oberflächen der Speicherschicht aus ferromagnetischem Material bestehende Streifen mit einer magnetischen Vorzugsrichtung derart angeordnet sind, daß der Winkel zwischen der magnetischen Vorzugsrichtung der Speicherschicht und der magnetischen Vorzugsrichtung der Streifen größer als 0 ist.The above methods for suppressing wall creep relate to now essentially the lateral wall displacements in the directions 6 and?, but not the growth in direction 8, i.e. H. the top 10 growth of the area 3. The tip growth is based on the fact that 10 magnetic stray fields from the tip go out that the magnetization reversal of layer 1 near the Favor Spbze 10, The invention is based on the object of these stray fields to reduce and thus the peak growth of areas of opposite magnetization direction to suppress, The invention consists in: that on or near at least one of the surfaces of the storage layer made of ferromagnetic material Strips with a preferred magnetic direction are arranged such that the Angle between the preferred magnetic direction of the storage layer and the magnetic one The preferred direction of the stripes is greater than zero.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to FIGS.

Die fig. 2 zeigt eine Ausschnitt aus der Speicherschicht' der beispielsweise einem der Gebiete entspricht, die zur Speicherung eines bits herangezogen werden, im Grundriß und im Schnitt. Die magnetische Schicht 1 ist auf einem Substrat 19 aufgebracht, das beispielsweise durch eine Metallplatte gebildet sein kann.The fig. FIG. 2 shows a section from the storage layer of, for example corresponds to one of the areas that are used to store a bit, in plan and in section. The magnetic layer 1 is on a substrate 19 applied, which can be formed for example by a metal plate.

Während nach Pig. 2b die Schicht 1 auf dem Substrat 19 durch eine unmagnetische Zwischenschicht 20, die beispielsweise aus 810 bestehen kann,. getrennt ist, ist in Fig. 2c die' .Schicht 1 unmittelbar auf dem Substrat 19 aufgebracht. In der nähe der Oberfläche der Schicht 1 sind nun Streifen 11, 12 angeordnet, die aus einem ferromagnetischen Material,. beispielsweise Permalloy,, Nicke, Eisen oder Nickel-Eisen-Kobalt, bestehen. Diese Streifen 11, 12 weisen.eine stark gestreckte Form auf, so daß sich eine verhältnismäßig hohe Formanisotropie mit einer Vorzugsachse der Magnetisierung in Längsrichtung der Streifen ergibt. Die Streifen sind derartig angebracht, daß ihre Vorzugsachse der Magnetisierung (15 oder 18 bzw. 16 oder 17) gegenüber der Vorzugsachse 2 der Magnetisierung 13 bzw. 14 in der Speicherschicht 1 einen Winkel bildet, der in vorteilhafter Weise zu 900 gewählt ist. Es ist möglich, die Streifen 11, 12 jeweils auf der gleichen Seite der Schicht 1 anzuordnen, es ist aber auch u. U, vorteilhaft, auf beiden Seiten der Schicht 1 derartige Streifen vorzusehen, weil eine solche Anordnung je nach den Daten der verwendeten Materialien eine Verbesserung des gewünschten Effektes bewirken kann.While after Pig. 2b the layer 1 on the substrate 19 by a non-magnetic intermediate layer 20, which can consist of 810, for example. is separated, the '.Schicht 1 is applied directly to the substrate 19 in FIG. 2c. In the vicinity of the surface of the layer 1, strips 11, 12 are now arranged, which are made of a ferromagnetic material. for example permalloy, nickel, iron or nickel-iron-cobalt exist. These strips 11, 12 have a strongly elongated shape, so that there is a relatively high shape anisotropy with a preferred axis of magnetization in the longitudinal direction of the strips. The strips are attached in such a way that their preferred axis of magnetization (15 or 18 or 16 or 17) forms an angle with respect to the preferred axis 2 of magnetization 13 or 14 in storage layer 1, which is advantageously chosen to be 900. It is possible to arrange the strips 11, 12 in each case on the same side of the layer 1, but it is also, under certain circumstances, advantageous to provide such strips on both sides of the layer 1, because such an arrangement depends on the data of the materials used can bring about an improvement in the desired effect.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß die Streifen in dor Nähe des Randes des Gebietes verlaufen, das zur Speicherung eines Einzelbits dient. Es ist aber auch möglich"auf der Fläche des-Gebietes . eine Vielzahl solcher Streifen vorzusehen, um ebenfalls die Wandverschiebungen noch stärker zu unterdrücken. Durch die: Ausgestaltung der Streifen 'i1, 12 und die dadurch erzielte Formanisotropie sowie die Anordnung der Streifen nicht parallel zur Vorzugsachse der Magnetiserung der Schicht 1 wird erreicht, daß die Streifen 1'1, 12 von Schaltfeldern des Schichtspeichers nicht merklich beeinflußt werden können.In Fig. 2 it is shown that the strips in the vicinity of the edge of the area that is used to store a single bit. But it is also possible "on the surface des area. a multitude of such Provide strips in order to also suppress the wall displacements even more. Due to the: design of the strips' i1, 12 and the resulting shape anisotropy and the arrangement of the strips not parallel to the easy axis of magnetization the layer 1 is achieved that the strips 1'1, 12 of switching fields of the layer memory cannot be influenced noticeably.

Zur Erzielung einer ausreichend hohen Formanisotropie ist es.vorteilhaft, die Streifen mit einer Breite von 0,0'1 bis 0,1 mm und einer Dicke von über 'f000 AE auszubilden, wenn sie sich in ihrer Länge über die.gessmte Speicherplatte erstrecken, wobei unter Speicherplatte der Schichtspeicher mit sämtlichen für die Speicherung von Einzelbits vorgesehenen Gebiete zu verstehen ist. .To achieve a sufficiently high shape anisotropy, it is advantageous to the strips with a width of 0.0'1 to 0.1 mm and a thickness of over 'f000 To form AE if they extend in length over the storage disk, where under storage disk the layered storage with all for the storage areas provided by individual bits is to be understood. .

Fig: 2c zeigt auch dann, wenn die Schicht '! unmittelbar auf das Substrat 19 aufgebracht ist, eine Zwischenschicht 20, die wiederum aus unmagnetischem Material, beispielsweise Si0, in einer Dicke von 1 /u besteht und zwischen der Schicht ') und den Streifen 't1, 1'2 angeordnet ist. Diese Schicht 20 verhindert, wie auch im Falle der Fig. 2b, eine direkte magnetische Kopplung der Magnetisierung in den Streifen (die in Richtung der Pfeile 15 oder 18 bzw. 16 oder 17 in Fig. 2a verläuft) mit der Magnetisierung in der Schicht 1, die in Richtung der Pfeile 13 oder 14 liegt. Ohne die magnetische Zwischenschicht 20 würde sich eine starke direkte Kopplung der genannten Magnetisierungen ergeben, so daß die Magneftisierung in der Speicherschicht in der Nähe der Streifen 11, 12 stark aus ihrer Vorzugsachse 12 ausgelenkt würde, was das magnetische Verhalten der Schicht erheblich stären müßte.Fig: 2c also shows when the layer '! is applied directly to the substrate 19, an intermediate layer 20, which in turn consists of non-magnetic material, for example Si0, in a thickness of 1 / u and is arranged between the layer ') and the strips' t1, 1'2. As in the case of FIG. 2b, this layer 20 prevents a direct magnetic coupling of the magnetization in the strips (which runs in the direction of arrows 15 or 18 or 16 or 17 in FIG. 2a) with the magnetization in layer 1 which lies in the direction of arrows 13 or 14. Without the magnetic intermediate layer 20, a strong direct coupling of the magnetizations mentioned, so that the magnetization in the storage layer in the vicinity of the strips 11, 12 would be strongly deflected from its preferred axis 12, which would have to considerably increase the magnetic behavior of the layer.

In Fig. 2 treten widerum an den Rändern 23, 24 Bereiche 3 auf, die von Keimenausgehend durch Wandkriechen zu einer Ummagnetisierung des gesamten Gebietes führen würden. Diese Bereiche 3 können infolge der erfindungsgemäß angeordneten Streifen 11 und 12 nur bis zu diesen vordringen, so daß die innere Zone 24 der Speicherschicht 1 frei von diesen Bereichen und deren Wänden bleibt.In Fig. 2 occur again at the edges 23, 24 areas 3 which starting from germs through wall creeping to a reversal of magnetization of the entire area would lead. These areas 3 can be arranged according to the invention as a result of Strips 11 and 12 penetrate only up to this, so that the inner zone 24 of the storage layer 1 remains free of these areas and their walls.

Dieses Verhalten soll mit Hilfe der Fig. 3 erläutert werden. Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt von Fig. 2, der einen Bereich 3 und einen Streifen 12 umfaßt. Die Magnetisierungsrichtung des Streifens 12 ist durch die Pfeile 16, die des Bereiches 3 durch den Pfeil P;# und die der Speicherschicht 1 durch den Pfeil 13 angedeutet. An der SpIze des Bereiches 3 tritt ein durch den Pfeil 21 angedeutetes Streufeld 21` aus. Dieses würde normalerweise das störende Spitzenwachstum des Bereiches 3 begünstigen und soll daher herabgesetzt werden: Das Streufeld 21 lenkt nun die Magnetisierung 16 des Streifens 12 in unmittelbare Nähe der Spitze des Bereiches 3 aus Der Streifen 12 erhält dadurch eine Magnet-isierungskomponente in Richtung des Streufelds 21, die nun ihrerseits ein von den Streifenkanten ausgehendes Streufeld 22 erzeugt: Dieses Streufeld 22 ist dem Streufeld 2'l entgegengerichtet und hebt es auf. Diese Aufhebung ist eine vollständige, wie im folgenden anhand einer Rechnung gezeigt werden wird,-und hat zur Folge, daß die Spitze des Bereiches bei Annäherung an den Streifen 12 nicht weiter wandern kann.This behavior is to be explained with the aid of FIG. 3. Fig. 3 shows a detail from FIG. 2, which comprises an area 3 and a strip 12. The direction of magnetization of the strip 12 is indicated by the arrows 16, that of the area 3 by the arrow P; # and that of the storage layer 1 by the arrow 13 indicated. A stray field indicated by arrow 21 occurs at the tip of area 3 21`. This would normally cause the annoying top area 3 growth favor and should therefore be reduced: The stray field 21 now directs the magnetization 16 of the strip 12 in the immediate vicinity of the tip of the area 3 from the strip 12 thereby receives a magnetization component in the direction of the stray field 21, which in turn generates a stray field 22 emanating from the strip edges: This stray field 22 is directed in the opposite direction to the stray field 2'l and cancels it. These Cancellation is a complete one, as shown below using an invoice will, -and has the consequence that the tip of the area when approaching the Strip 12 cannot move any further.

Für eine einfache quantitative Betrachtung wird die Ortsabhängigkeit des Streufeldes 21 vernachlässigt; das Streufeld 21 sei mit H' bezeichnet. für das Streufeld 22 wird die Bezeichnung H gewählt. Der Entmaßnetsierungsfaktor des Streifens 12 senkrecht zur Streifenrichtung sei N, die Magnetisierung des Streifens sei, M und die Sättigungsmagnetisierung des Streifens sei M. Für das von dem Streifen 12 ausgehende Str,3ufeld 22 gilt dann: H =-N " M = -N " Mg sin a. Hierbei ist a dar Winkel, um den die Sättigungsmagnatisierung Ms ('i6) aus der Längsachse des Streifens 12'unter dem Einfluh des Streufeldes H' (21) herausgedreht wurde.For a simple quantitative consideration, the location dependency of the stray field 21 is neglected; the stray field 21 is denoted by H '. the designation H is chosen for the stray field 22. The de-dimensioning factor of the strip 12 perpendicular to the direction of the strip is N, the magnetization of the strip is M and the saturation magnetization of the strip is M. For the Str, 3ufeld 22 emanating from the strip 12, the following applies: H = -N "M = -N" Mg sin a. Here, a is the angle by which the saturation magnification Ms ('i6) was rotated out of the longitudinal axis of the strip 12' under the influence of the stray field H '(21).

Eine weitere wichtige Größe in diesem Zusammenhang ist die Anisotropiefeldstärke Ek des Streifens 12, Hierunter ist die Feldstärke zu verstehen, die aufgebracht werdep. muß, um eine Drehung der Magnetisierung aus der leichten in die schwere Richtung zu bewirken. Bei ideal aufgebauten Schichten wäre die Anisotropiefeldstärke gleich der Roationsschaltfeldstärke.Another important variable in this context is the anisotropy field strength Ek of the strip 12, This is to be understood as the field strength that is applied bedep. must in order to rotate the magnetization from the light to the heavy Direction to effect. In the case of ideally built-up layers, the anisotropy field strength would be equal to the rotation switching field strength.

Für die Anisotropiefeldstärke Rk gilt die Beziehung: sind Damit wird und weiter gilt wegen Hk N ' M @S H + HI - Q, Das resultierende Streufeld 21 verschwindet also vollständig.The following relationship applies to the anisotropy field strength Rk: are So that will and furthermore, because of Hk N 'M @SH + HI - Q, the resulting stray field 21 disappears completely.

Claims

'P atent ans rü che 1) `Thin ferromagnetic storage layer with a preferential direction of magnetization, which is divided into one bit-storing areas, due to the fact that on or in the vicinity of at least one of the surfaces of the storage layer made of ferromagnetic material existing strips with a preferred magnetic direction are arranged such that the angle between the preferred magnetic direction of the storage layer and the preferred magnetic direction of the strips is greater than 0. 2) Storage layer according to claim 1, characterized in that the angle is right. 3) storage layer according to claim 1 or claim 2, characterized in that a plurality of the strips is arranged like a network in such a way that they run within the respective bit-storing areas of the storage layer. 4) storage layer according to claim 3, characterized in that a plurality of strips is arranged in a network within the areas such that they 3.n. near the ran-. of each area run like a frame, 5) storage layer according to one of claims 1 to 4, da- by g <; y denotes that between the storage layer and an intermediate layer from the strip. unmagn @ "table material lien is arranged ;. 5) storage layer according to one of claims 1 to 5, da- marked by; that the strips with a width of 0.0'i to 01.1 mm and a thickness of over 1000 AU. they are: