DE2637226C3

DE2637226C3 - Zylinderdomänenspeicher

Info

Publication number: DE2637226C3
Application number: DE2637226A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dipl.-Phys. 8021 Hohenschaeftlarn Littwin
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-08-18
Filing date: 1976-08-18
Publication date: 1980-03-06
Also published as: JPS5324740A; NL7709100A; US4133045A; GB1587672A; FR2362472A1; FR2362472B1; DE2637226B2; DE2637226A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderdomänenspeicher mit schichtförmigem Speichermedium mit zur Schichtebene senkrecht magnetisierten Zylinderdomänen, deren Magnetisierung entgegengesetzt gerichtet zur Magnetisierung der Umgebung und eines magnetischen Haltefeldes ist, mit einer Transportstruktur, deren winkelförmige Einzelelemente aus magnetisierbarem Material schichtförmig auf die eine Schichtebene aufgebracht sind und mit einem magnetischen Drehfeld parallel zur Schichtebene, unter dessen Wirkung die Zylinderdomänen längs der durch die Transportstruktur bestimmten Bahn verschiebbar sind.

Im magnetischen Drehfeld erzeugen die Einzelelemente der Transportstruktur magnetische Streufelder, unter deren Wirkung Zylinderdomänen zu energisch günstigen Positionen an den Einzelelementen wandern. Bei Drehung des magnetischen Drehfeldes in der Schichtebene verschwinden diese Energieminima. An anderen Stellen der Transportstruktur entstehen dafür neue, zu welchen die Zylinderdomänen wandern. Bei geeigeten Transportstrukturen bewegen sich die Zylinderdomänen bei einer vollen Umdrehung des magnetischen Drehfeldes um eine Periode der Transportstruktur, d h. um einen Speicherplatz weiter. In einem ständig rotierenden Magnetfeld können die Zylinderdomänen auf durch die Transportstruktur vorgegebenen Bahnen befördert werden.

Durch Anordnung langer, in sich geschlossener Schleifen, sogenannte »Speicherschleifen«, lassen sich serielle Speicher aufbauen. Die Binärziffern »1« und »0« werden durch die An- oder Abwesenheit einer Zylinderdomäne an einer Stelle der Transportstruktu· dargestellt. Die in die Speicherschleife eingegebene Information wird über eine Schreib-Leseschleife zerstörungsfrei eingeschrieben bzw. ausgelesen. Sie ist nicht an einen festen Speicherplatz gebunden, sondern im Umlauf in geschlossenen Bahnen der Transportstruktur. Transportstrukturen der genannten Art sind beispielsweise in »Proc. of the IEEE« Vol. 63, No. 8, Aug. 75, Seiten 1196 bis 1206 und in »IEEE Trans, on Magn.« VoL Mag.-9, No. 3, Sept 73, S. 293 bis 297, beschrieben. Als Einzelelemente dienen dabei T-, X- oder Y-förmige ίο Elemente. Durch die DE-OS 19 17 746 sind Ti-Manipulationsmuster und Muster mit rechteckfönr.igen Einzelelementen mit zur Bahn der Zylinderdomänen geneigten Richtung bekannt Die DE-OS 23 43 398 beschreibt sogenannte Chevrons bzw. V-förmige Einzelelemente.

Üblicherweise wird zur Schaffung eines wenig aufwendigen und raumsparenden Speichers ein Speicher mit hoher Bitdichte, d. h. mit niedrigen Kosten pro Bit, angestrebt Speicherchips mit z. B. 5 χ 5 mm großen Speicherschichten mit Transportstruktureji und Leiterschleifen sind dabei üblich. Die gegenwärtige, durch fotolithografische Verfahren erzielbare Speicherkapazität, d. h. Speicherchip-Kapazität liegt bei 64 kbit Die Feinheit der verwendeten Transportstrukturen in den Speicherschleifen läßt sich über diese Speicherkapazität durch fotolithografische Verfahren nicht mehr steigern.

Die Transportstrukturen, z. B. Transportstrukturen

für angestrebte Speicherchip-Kapazitäten von 256 kbit und m^hr, sind zwar, wie dies aus der erstgenannten Literaturstelle und durch einen in »Proc. of the IEEE«,

jo Vol. 63, No. 8, Aug. 75, S. 1176 bis 1195 erschienen Aufsatz bekannt ist, mittels Elektronenstrahl-Lithografie herstellbar, diese ist jedoch technisch äußerst aufwendig und kompliziert und besitzt zudem noch nicht die kurzen Durchlaufzeiten der üblichen Fotolitho-

r> grafie. Man ist daher bestrebt, durch beispielsweise in der erstgenannten Literaturstelle erwähnte Neuentwicklung hohe Speicherdichten ohne große Anforderungen an die Strukturerzeugnisse zu verwirklichen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, durch die lediglich durch Einsatz der üblichen Fotolithografie einwandfreie Transportstruktursn, d. h. Manipulationsmuster, Domänenstrecken und Domänengeneratoren und Leiterschleifen für Speicherchips hoher Kapazität,

4^r> z. B. 256 kbit, herstellbar sind.

Die Erfindung schlägt zu diesem Zweck bei einem Zylinderdomänenspeicher der eingangs genannten Art vor, daß die Transportstruktur aus zueinander stufenförmig versetzten L-förmigen Einzelelementen besteht,

-in wobei jeweils der eine Schenkel jedes Einzelelements eine im Vergleich zum anderen Schenkel größere, z. B. 1,5- bis 3fache Breite aufweist.

Vorteilhafterweise sind die aus diesen Einzelelementen zusammengesetzten Transportstrukturen für die Speicher- und Schreib-Lese-Schleifen jeweils zueinander versetzt angeordnet. Die Zylinderdomäne läuft dabei während einer Drehfeldperiode am L-Bar- bzw. Einzelelement entlang und muß pro Periode ein Gap überspringen.

ω) Die Erfindung ihre Wirkungsweise und ihre Vorteile gegenüber den Zylinderdomänenspeichern mit bekannten Transportstrukturen werden nachstehend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Transportstruk-

h^r) tür nach der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 in der Darstellung nach Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für zueinander versetzte Speicherschleifen,

Fig.3 eine vergleichende Darstellung, aus der die Position einer Zylinderdomäne in Abhängigkeit von dem Phasenwinke! des magnetischen Drehfeldes bei einem erfindungsgemäßen L-Bar- und einem bekannten Chevron-Element erkennbar ist

F i g. 4 bis 6 jeweils ein Diagramm für die quasistatischen Arbeitsbereiche von drei verschiedenen Speicherschleifen nach der Erfindung.

Die F i g. 1 zeigt mehrere stufenförmige zueinander angeordnete L-Bar-Einzelelemente i. deren einer Schenkel die insbesondere zwei- bs dreifache Breite des anderen Schenkels aufweist Die aus den Einzelelementen 1 zusammengesetzten Speicherschleifen 2 nach Fig.2 sind, vorausgesetzt es sind mehrere Speicherschleifen vorgesehen, zueinander versetzt

Die in F i g. 3 dargestellte Abhängigkeit der Position einer Zylinderdomäne 4 beziehungsweise 5 vom Phasenwinkel des magnetischen Drehfeldes, und zwar dargestellt für ein L-Bar- und Chevron-Einzelelement 1 beziehungsweise 3, ist quasistatisch beobachtet und für markante Phasenlagen aufgezeichnet Diese Darstellung zeigt, daß die Phasenverschiebung zwischen der Zylinderdomäne und dem magnetischen Drehfeld bei einem einzelnen Chevron-Winkel auffallend größer ist Darüber hinaus ist aus Fig.3 erkennbar, daß im Gegensatz zum L-Bar-Element die Zylinderdomäne im magnetischen Drehfeld an den Enden des einfachen Chevron-EIementes bevorzugte Ruhepositionen hat. Dies führt beim Domänentranspot entlang des Chevrons zu doppelt so hohen Domänen-Geschwindigkeiten wie beim L-Bar-Element, da im Gegensatz zum letztgenannten Element bedingt durch die Phasenverzögerung für gleich lange Wege, weniger als die Hälfte der Zeit zur Verfugung steht Eine entsprechend niedrigere Frequenzgrenze bei gegebener Domänenbeweglichkeit sowie ungünstigere Fehlerstatistiken sind die Folge. Aus diesem Grunde sind daher nur Speicherschleifen mit mehrfachen Chevronwinkeln bekannt, wobei eine Speicherzelle jeweils aus drei übereinanderstehenden Chevronwinkeln gebildet und erst durch diese Maßnahme die erwähnte Phasenverzögerung mit ihren Folgen vermieden wird. Gleichzeitig sinkt jedoch die Speicherdichte beziehungsweise Speicherkapazität. Schließlich muß man in Transport-Tabelle 1

strukturen, deren Balkenelemente die halbe Breite der Zylinderdomäne besitzen, eine dem vierfachen Domänendurchmesser entsprechende Strukturperiode einhalten, um Transportschwierigkeiten durch Domänen/Domänen-Wechselwirkungen auszuschalten.

Die F i g. 4 bis zeigen die quasistatischen Arbeitsbereiche für drei verschiedene L-Bar-Speicherschleifen mit je einer Speicherkapazität von 7 bit und Strukturperioden von 26 μΐη, 22 μπι beziehungsweise 17 μπι für die

ίο Transportstruktur L_u L₂ beziehungsweise L₃. Für ein magnetisches Drehfeld von 30 A/cm ist der Arbeitsbereich eines 3-Winkel-Chevronmusters mit einer Periode von 28 μπι miteingetragen. Bei einem magnetischen Drehfeld H_n,, von 30 A/cm wurden Arbeitsbereiche für die Transportstrukturen Z.3, L₂, L\ und für das Chevronmuster von 14%, 14%, 17% beziehungsweise 20% ermittelt. Der Arbeitsbereich der Transportstruktur L\ (siehe F i g. 4) überlappt zugegeben nur zur Hälfte den des Chevronmusters, jedoch liegen die Arbeitsbereiche der Transportstrukturen L₂ und Z.3 innerhalb des Chevron-Arbeitsbereiches.

Die Transportstrukturen für die Speicherschleifen wurden auf einer Speicherscheibe, insbesondere Granatscheibe, mit 6-μΐη- Domänen hergestellt wobei die unmittelbar auf die Speicheroberfläche aufgebrachte SiC*2-Abstandsschicht 0,7 μπι und die auf diese Schicht aufgebrachte Ni-Fe-Schicht 035 μπι Dicke besaß.

Die untere Grenze des Arbeitsbereiches wurde mit einer einzelnen Domäne in den Speicherschleifen

jo ermittelt während die obere Grenze des Arbeitsbereiches an den voll besetzten Speicherschleifen gemessen wurde. Zur Ermittlung der unteren Grenze senkt man dabei das magnetische Stützfeld ab, bis die Domäne ihre zylindrische Form verliert Die obere Grenze ist festgelegt durch das magnetische Stützfeld, bei dem bereits einzelne Domänen kollabieren. Der Arbeitsbereich ist definiert durch die Summe der absoluten Beträge der prozentualen Abweichungen der oberen und unteren Grenze vom Mittelwert aus den beiden Grenzen.

In der nachstehenden Tabelle ist die aktive Speicherflache für eine Reihe von L-Bar-Strukturen mit verschiedenen Abmessungen und für verschiedene Speicherkapazitäten zusammengestellt:

Balkenbreiten, μιη
Gapbreite, μηι
Periode, μιτι
Bitdichte, 10⁵ bit/cm²
Speicherkapazität, kbit
Speicherfläche, mm²

L-Bar-Struktur	Π (Ly)	HI	IV
ia₂)	6/3	4/2	3/1,5
8/4	2	1	1
2	17	11	8,5
22	3,2	7,4	13
1.8	64	128	256
32	4,5X4,5	4,2X4,2	4,5X4,5
4,2X4,2

Für L-Bar-Strukturen mit verschiedenen Abmessungen sind in der Tabelle Bitdichten und Speicherflächen für verschiedene Speicherkapazitäten angegeben.

Die im Vergleich zu den bekannten Balkenstrukturen erhöhte Speicherdichte der L-Bar-Struktur wird durch einen dichteren Domänenabstand erzielt. Die gemäß F i g. 6 untersuchten Speicherschleifen mit L-Bar-Struktur mit einer Periode von 17 um haben einen Domänenabstand bei vollbesetzter Speicherschleife von drei Domänendurchmessern. Dies steht im Gegensatz zu dem bei bekannten Balkenstrukturen üblichen vierfachen Domänenabstand als erlaubten Minimalabb5 stand zweier Domänen innerhalb einer Transportschleife, bei dessen Unterschreiten der sichere Domänentransport gefährdet ist. Unterhalb dieses Minimalabstandes wird nämlich die durch die von den Domänen

ausgehenden magnetischen Streufelder verursachte Wechselwirkung zwischen benachbarten Domänen so stark, daß einzelne Domänen aus der Transportschleife verschwinden und folglich ein Domänentransport mit vollbesetzter Speicherschleife schwierig ist.

Ein Vergleich mit bekannten Transportstrukturen, wie zum Beispiel T-Bar-, X-Bar- und Y-Bar-Transportstrukturen, zeigt, daß die L-Bar-Transportstrukturen im Unterschied zu diesen bekannten Strukturen voneinander isoliert sind, weshalb keine unerwünschten Platzwechselvorgänge von Domänen in andere Speicherschleifen über quer zur Transportrichtung der Domäne liegende und verschiedenen Speicherschleifen gemeinsame, magnetische Balkenstrukturen stattfinden. Die ähnliche Art der Domänenbewegung beim L-Bar-Element und beim bekannten Chevron-Strecker läßt eine optimale Ausnutzung der Transporteigenschaften beider Elemente zu, so daß die Arbeitsbereiche der Speicherschleifen mit L-Bar-Elementen von denen des Chevron-Streckers vollständig überlappt werden können.

Die Struktur des L-Bar-Elementes und das einfache Aneinanderreihen der Strukturelemente machen es möglich, die Periode und damit die Größe der Balkenelemente auf einem Speicherchip nach Bedarf zu variieren. Überall dort, wc Justierungen notwendig sind, wie im Bereich der Gates und des Domänen-Detektors, lassen sich größere Strukturelemente mit Perioden von zum Beispiel 22 μπι und 28 μΐη verwenden, während im Bereich der Speicherschleifen mit kürzeren Perioden von zum Beispiel 17 μπι eine hohe Speicherdichte erzielt wird.

Durch einfache geometrische Überlegungen läßt sich aus Fig. 2 ableiten, daß eine L-Bar-Speicherzelle die folgende Fläche beansprucht:

F, = 34,3 χ vA_L.
Die Speicherdichte ergibt sich daraus zu:

Λ =

= (34.3

wobei mit w_L die Breite des schmalen Balkens beziehungsweise Schenkels des L-Bar-Elementes be zeichnet ist.

Gemäß dem in »Proc. of the IEEE«, Vol.63, No.f Aug. 75, Seiten 1196 bis 1206, erschienenen Aufsatz win für die T-Bar-, X-Bar- und Y-Bar-Transportstrukturei die Speicherdichte orxrmit

angegeben, wobei mit wrxydie Balkenbreite des T-Bar-X-Bar- beziehungsweise Y-Bar-Musters bezeichnet ist.

Setzt man für die kleinste Strecke innerhalb eine:

Transportmusters, nämlich das Gap, eine Länge vor 1 μπι fest, so ergeben die Untersuchungen de; Transportverhaltens für die Balkenbreite wrxv dei bekannten Transportmuster den wert 2 μίτι und für die Breite des schmalen Balkens des L-Bar-Elementes der Wert 1,5 μπι. Dies bedeutet, daß das L-Bar-Transport muster eine im Vergleich zu diesen bekannter Transportmustern 3,4mal größere Speicherdichte besit zen kann. Diese hohe Speicherdichte ermöglicht die Herstellung eines 256-kbit-Speicherchips mit Hilfe dei üblichen wenig aufwendigen Fotolithografie. T-Bar-X-Bar- und Y-Bar-Elemente weisen bei Speicherkapazi täten von nur 64 kbit und einer Speicherfläche vor Ί χ 5 mm bereits Balker.breiten von 2 μσι und Gapbrei ten von 1 μΐη auf. Ein aus diesen bekannten Elementer gefertigtes 256-kbit-Speicherchip benötigt daher, bezo gen auf die gleiche Fläche, eine bereits doppelt so feim

jo Struktur und liegt mit Balkenbreiten von 1 μίτι unc Gapbreiten von 0,5 μπι außerhalb des Bereiches dei Fotolithografie. Im Unterschied hierzu zeigen Untersu chungen der L-Bar-Transportstruktur für Speicher schleifen mit einer Periode von 17μιτΐ, daß cir 64-kbit-Speicherchip mit Balkenbreiten von 3 μΓη unc Gapabmessungen von 2 μπι auf einer Speicherfläcru von 4,5 χ 4,5 mm hergestellt werden kann. Die Balken breite und das Gap für die Transportstrukturen eine: 256-kbit-Speicherchips liegen dann mit 1,5 μπι und 1 μη noch innerhalb des durch die Fotolithografie realisierba ren Bereiches.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zylinderdomänenspeicher mit schichtförmigem Speichermedium mit zur Schichtebene senkrecht magnetisierten Zylinderdomänen, deren Magnetisierung entgegengesetzt gerichtet zur Magnetisierung der Umgebung und eines magnetischen Haltefeldes ist, mit einer Transportstruktur, deren winkelförmige Einzelelemente aus magnetisierbarem Material schichtförmig auf die eine Schichtebene aufgebracht sind und mit einem magnetischen Drehfeld parallel zur Schichtebene, unter dessen Wirkung die Zylinderdomänen längs der durch die Transportstruktur bestimmten Bahn verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportstruktur aus zueinander stufenförmig versetzten L-förmigen Einzelelementen besteht, wobei jeweils der eine Schenkel jedes Einzelelements eine im Vergleich zum anderen Schenkel größere Breite aufweist

2. Zylinderdomänenspeicher nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der eine Schenkel jedes L-förmigen Einzelelements eine im Vergleich zum anderen Schenkel 1,5- bis 3fach größere Breite aufweist

3. Zylinderdomänenspeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente zu Transportstrukturen für Speicher- und Schreib-Lese-Schleifen zusammengesetzt sind, wobei bei mehreren Schleifen die einzelnen Schleifen jeweils zueinander versetzt angeordnet sind.