JPS6248316B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はバブル磁区（以下単にバブルと称す
る）を面内回転磁界によつて転送させるバブル素
子であつて、詳しくはコンテイギユアスパターン
からなる転送路を有するバブル素子に関する。 バブルを用いた素子は、1969年ボーベツクによ
つてベル・システム・テクニカル・ジヤーナル誌
上（Bell Syst.Tech.J.46（1967）1091）で、そ
の可能性が提唱されて以来、メモリー素子として
急速に開発がすすめられている。この過程におい
てバブルメモリーの主流は、例えば、希土類置換
の鉄ガーネツト膜のような膜面垂直磁化をもち、
バブルを保持しうる材料（以下、バブル保持層と
称す）上に軟磁性体膜で、バブル転送路を設け、
面内回転磁界によつてバブルを転送させる。いわ
ゆるフイールドアクセス方式によるものになつて
きたのは、周知の通りである。フイールドアクセ
ス方式に使用されている転送パターンは、従来１
ビツト当り２個あるいは１個の不連続パターンで
形成されていた。 最近のバブル技術の発展に伴い、バブルの微小
化、高密度化が進められている。バブル微小化の
一つの限界は光学露光法によつて作られる転送パ
ターンの最小値にあり、その値は約１μｍであ
る。 バブル径は、普通パターンギヤツプの約２倍必
要であるから、２μｍバブルが光学露光法の限界
となる。したがつて、光学露光法を利用して１μ
ｍバブルあるいはそれ以下の小さいバブルに使用
できる転送路を形成しようとすると、転送パター
ン間のギヤツプを、なくする以外ない。 このような観点から考えられたのが、一つの転
送路についてはパターンギヤツプのない、いわゆ
るコンテイギユアスパターンで、最初エー・ア
イ・ビー・コンフアレンス・プロシーデイングス
誌上（AIP Conf.Proc.No.10（1973）339）に発
表された。そこではバブル保持層表面（YGd
Tm Fe₄₃Ga₀₇O₁₂（111）面）上に水素イオン
（H⁺）を100kevの加速電圧で２×10¹⁶／cm²の注入
量で選択的に注入して、その部分の表面層を面内
磁化層とし、パターン部（膜面垂直磁化部）と面
内磁化層との境界に沿つてバブルを転送するよう
に転送路を形成している。 バブル保持層の表面層にイオン注入することに
より面内磁化層を形成するためには、バブル保持
層の磁歪定数λ₁₁₁が負であることが必要であ
る。 このようにして形成した転送路は、単結晶膜上
に形成されているので、その結晶膜の磁気異方性
を反映して、バブル転送特性は転送路の方向が膜
面内のどの結晶方向に沿つているかに依存してく
る。このように形成した転送路でのバブル転送は
パターンエツジに形成される。磁極をもつた磁壁
（以後チヤージドウオールと呼ぶ）が、面内回転
磁界の回転とともにパターンに沿つて移動し、最
終的にチヤージドウオールと結合したバブルが転
送路に沿つて移動することを利用して行なわれ
る。チヤージドウオールをコンテイギユアスパタ
ーンエツジに安定に形成するための条件として、
従来４回対称磁気異方性定数K₁の重要性につい
て述べられてきた。しかし、本発明者によれば、
チヤージドウオールをコンテイギユアスパターン
エツジに形成するための必要条件は、K₁がある
ことではなく、格子歪誘導磁気異方性エネルギー
Ｋσ（＜０）が存在していることである。このＫ
σを生じるためには磁歪定数λ₁₁₁が負のときは
圧縮格子歪を磁歪定数λ₁₁₁が正のときには、ひ
つぱり格子歪を、それぞれ与えることが必要とな
る。 ここでは、圧縮格子歪の場合について実施例を
述べるので、この場合を以下に説明する。 チヤージドウオールは通常の磁極を保持しない
ウオールに比べて静磁エネルギーが高くなるた
め、それを小さい磁壁幅に保つためには、読点膜
面内における磁気異方性エネルギー（それが２回
対称磁気異方性エネルギーであれば、なおよ
い。）を大きくすることが重要であることが、
IBMのシヤーらによつて報告されている。（ジヤ
ーナル オブ アプライド フイジイツクス 50
（1979）2270―2272参照）。本発明者の実験の中で
も、パターン部以外の部分にイオン注入してパタ
ーンエツジにチヤージドウオールが形成されるこ
とを確認したGd₃Ga₅O₁₂（111）基板上にパター
ン形成層のみからなるウエハーでバイアス磁界を
零にした状態でもパターンエツジにチヤージドウ
オールを観察した。 他方、K₁に基く膜面内の３回対称磁気異方性
は、バイアス磁界を零にすると、まつたくなくな
る。したがつて、K₁がパターンエツジにチヤー
ジドウオールを形成するための必要条件でないこ
とがわかつた。 また、イオン注入しない面内磁化層（基板との
格子定数のミスマツチは比較的よい）のパターン
部をくりぬいただけのイツトリウム鉄ガーネツト
のパターンエツジには、チヤージドウオールは形
成されないが、これにイオン注入して圧縮格子歪
を与えるとパターンエツジにチヤージドウオール
が形成される。これらのことからパターンエツジ
にチヤージドウオールを形成するためには、パタ
ーンに沿う方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方
性がパターン形成層が圧縮歪をもつていることと
関連して膜面内に存在し、チヤージドウオールの
ところで両側の磁化が互いに真正面からぶつかる
ようにしていることが、上記の検討から推定でき
る。実際にイオン注入して圧縮歪を与えたイオン
注入部とパターン部との境界では、膜面内でパタ
ーンエツジに直角方向には、歪が一部解放されて
いることが、有限要素法による歪計算からも、は
つきりでている。しかし、パターンエツジに沿う
方向では、歪の解放はほとんどない。パターンエ
ツジにおける格子歪の異方性と負の磁歪定数λ
₁₁₁とを結びつければ、圧縮歪をもつ領域と無歪
領域との境界では圧縮歪をうけている領域の端の
方では境界に沿つた方向を磁化容易軸とする２回
対称磁気異方性がついていることは容易に理解で
きる。イオン注入法によるコンテイギユアスパタ
ーン境界のこの歪誘導磁気異方性エネルギーは、
イオン注入部の格子定数aiとパターン部の格子定
数afとの差および磁歪定数λ₁₁₁との積に比例す
る。 いいかえると、これはイオン注入層にイオン注
入によつて誘起される歪誘導磁気異方性エネルギ
ーＫσに比例する。Ｋσを大きくするためにはλ
₁₁₁（＜０）の絶対値を大きく、かつ、ai―afを可
能なかぎり大きくすることが必要となる。Ｋσを
大きくすることが、Hrの回転によりチヤージド
ウオールとパターンとの接点をパターンエツジに
沿つてスムーズに動かし、かつ、チヤージドウオ
ール自体の磁極を大きくするために重要である。
この点については、従来考えられていなかつた。
次は、４回対称磁気異方性エネルギーK₁に基
く、膜面内の３回対称磁気異方性磁界Hk₁（｜k₁
｜）／Msに比例する値のコンテイギユアスパタ
ーン上のバブル転送つまりチヤージドウオールへ
の影響が問題となる。Hk₁のチヤージドウオール
への影響はIBMのリンらによつて詳しく論じられ
ている。（ジヤーナルオブ アプライド フイジ
イクス 48（1977）5201参照）彼らによると、膜
面内の磁化困難方向にHrを加えたとき、チヤー
ジドウオールは、もつとも強くなる。つまり、も
つとも長くなる。しかし、磁化容易方向近傍の
Hr回転では、チヤージドウオールはパターンに
沿つて不連続な動きをするという。 本発明者の検討では、Hrが弱いときは、上記
のような不連続な動きがあるが、Hr＞Hk₁になる
とほぼ連続的な動きになる。IBMのリンらのモデ
ルではチヤージドウオールはHr＞Hk₁ではなくな
つてしまうように考えられるが、実際にはHrを
Hk₁の３倍以上にしてもチヤージドウオールは消
えない。このようなことからもチヤージドウオー
ルはHk₁だけでは、その性質を説明できない。他
方、コンテイギユアスパターンを用いて多数の転
送路を互いに近接して配置すると、一つの転送路
で発生したチヤージドウオールが隣接の転送路の
チヤージドウオールと結びつく。特にパターン形
成層内のK₁による膜面内の３回対称の磁気異方
性から生じる磁化困難方向にHrを加えたとき、
特に低Hr、低バイアス磁界側では、これがバブ
ルの転送路間とび移りの原因となつている。この
Hk₁効果を小さくするためにはＫσを大きくし、
Ｋσと反磁界エネルギー２πMs^２ _ｓによる負の磁気
異方性エネルギー（Ｋσ＋２πMs^２ _ｓ）とパターン
形成層のイオン注入前の正の磁気異方性エネルギ
ーKuとの差Ku―（Ｋσ＋２πMS^２ _ｓ）として求ま
る膜面内異方性エネルギーKiを大きくすること
により、磁化の膜面からの立上りを小さくするこ
とが重要である。このようにしてHk₁効果を小さ
くすることにより転送路間のチヤージドウオール
を通しての相互作用を断ち切ることができる。つ
まり、Hk₁／Hkiを小さくしていくことが、重要
である。では、Hk₁効果というのはコンテイギユ
アスパターンでは、小さければ小さいほどよいか
というとそうとも言えない。 例えば、転送路内のパターンの谷の部分からバ
ブルを引き出すときのチヤージドウオールの発生
には、このHk₁が重要な役目をしている。従つ
て、Hk₁を零にしてしまうと、転送路の谷の部分
でのチヤージドウオール発生が困難になつてしま
う可能性が大きい。バブル転送特性が悪いことで
知られているバツドトラツクでは、谷の部分でチ
ヤージドウオールが発生しにくく、これはHk₁効
果と結びつけて説明することができる。それ故、
パターンエツジ付近でのみHk₁効果を大きくし、
パターンからはなれたところで、Hk₁効果を小さ
くすることがコンテイギユアスパターン転送路を
安定にしていく一つの目安となる。実際には、パ
ターン部以外にイオン注入してＫσを大きくして
いつても、パターンエツジでは、膜面内歪のパタ
ーンエツジに垂直な成分とともに膜面に垂直方向
の圧縮格子歪も緩和していて、パターンエツジで
はパターンからはなれた部分に比べてKiの絶対
値は小さい。そのためパターンエツジでは膜面内
のパターンエツジに平行方向を容易軸とする２回
対称磁気異方性エネルギーは、大きくなるけれど
も、Hk₁も自動的にパターンからはなれた部分よ
りも大きくなつていて、パターンの谷の部分にお
けるチヤージドウオール発生に役立つている。 従つて、現実にはＫσを大きくし、かつ、Ki
を大きくすることがコンテイギユアスパターンを
用いたバブル転送路を安定化させるために重要で
あることがわかる。なお、以下においては磁気異
方性エネルギーの代りに磁気異方性エネルギーを
飽和磁化Msで除した値に比例する異方性磁界
HKkσ（≡２Ｋσ／Ｍｓ），Hk₁（≡２Ｋｉ／Ｍｓ）を用
いて説明 を進める。 実施例 １ ２μｍバブル材料（CaYSmLuBi）₃
（FeGe）₅O₁₂（膜厚ｈ＝1.99μｍ，ストライプ磁
区幅ｗ＝1.74μｍ特性長＝0.18μｍ，バブル消
滅磁界Hcol＝292.6Oe，飽和磁束密度４πMs＝
522ガウス、一軸異方性磁界Hku＝1367Oe，Ｑ＝
Hk／４πMs＝2.62）の上に直接パターン形成層
（CaGdSmTm）₃（FeGe）₅O₁₂（ｈ＝0.48μｍ，４
πMs＝588ガウス、Hku＝759Oe，Ｑ＝1.304回対
称磁気異方性定数k₁＝4500erg／cm³，磁歪定数λ
₁₁₁＝−4.5×10^-6）を成長し、パターン部をAu―
Crマスクでコートし、他の部分にHe⁺を100kev
で３×10¹⁵／cm³注入し、転送路を形成した。 第１図は転送路の方向を膜面内の磁化困難方向
（第１図ａの右に図示された方向）に沿わせたも
のａそれに直角方向に走らせた転送路ｂでのバブ
ルの準静的転送マージンを示している。 図の記号○●△□は、それぞれ図に示したコン
テイギユアスパターンに沿つた矢印方向に転送し
た場合の測定結果を示している。第１図ｂの△印
で示す転送路いわゆるパツドトラツク以外の転送
路では、十分な転送マージンが得られた。諸特性
の詳細は表に示す。 比較例 １ 実施例１のパターン形成層の代りにλ₁₁₁の絶
対値が小さい（CaYEuLu）₃（FeGe）₅O₁₂ガーネ
ツト（ｈ＝0.64μｍ，４πMs＝630ガウス、Hku
＝1100OeQ＝1.74，４回対称磁気異方性エネルギ
ーk₁＝−5000erg／cm³、λ₁₁₁＝−2.0×10^-6）バブ
ル保持層（実施例１と同じ組成の膜）に直接成長
し、パターン部をAu―Crマスクでコートし、他
の部分にHe⁺を100kevで、３×10¹⁵／cm³注入し、
転送路を形成した。このようにして作つたウエハ
ーでバブル転送特性を測定したが、ほとんど転送
マージンはとれず、バブルは単に転送路の谷の部
分で振動するだけであつた。諸特性の詳細は表に
示す。 比較例 ２ 実施例１のパターン形成層の代りにＱ値が大き
い（CaGdTmSm）₃（FeGe）₅O₁₂ガーネツト（ｈ
＝0.43μｍ，４πMs＝664ガウス、Hku＝
1450Oe，Ｑ＝2.2，k₁＝−5250erg／cm³，λ₁₁₁＝
−4.5×10^-6）をバブル保持層（実施例１と同じ組
成の膜）上に直接成長し、パターン部をAu―Cr
マスクでコートし、他の部分にHe⁺を100kevで３
×10¹⁵／cm³注入し、転送路を形成した。このよう
にしてつくつたウエハーで、バブル転送特性を測
定した。第２図にその結果を示す。バブルは実施
例１および比較例１と同じ転送路間隔（相隣る転
送路の尖端間の距離Ｄ＝パターン周期Ｐ）で転送
路を形成した場合、バブルが転送路間を、とび移
るエラーを生じ、安定した転送特性を得られなか
つた。Ｄ＝1.2Pとすると上記のバブルが転送路か
らとび出し、隣りの転送路にとび移る転送エラー
は大巾に減少した。 しかし、低バイアス磁界における転送マージン
は実施例１にくらべて、まだ、かなり悪かつた。
諸特性の詳細は表に示す。 比較例 ３ 比較例２のバブル保持層の代りにパターン形成
層に用いた材料（CaGdSmTm）₃（FeGe）₅O₁₂ガ
ーネツトをｈ＝2.3μｍ成長した単層のバブル保
持層上に実施例１と同様に転送パターン形成部に
Au―Crマスクをし、他の部分にHe⁺を100kevで
３×10¹⁵／cm³注入したウエハーにおいて室温で転
送特性を測定した結果は、比較例２とほぼ同じで
あつた。このことからバブル保持層とパターン形
成層を同一組成のガーネツトにした場合と、バブ
ル保持層とパターン形成層を別々の組成のガーネ
ツトにした場合との間では、パターン形成部の特
性が同じであれば、バブル転送特性に際立つたち
がいは生じないことがわかつた。 以上、４つの例を比較検討してみると実施例１
は、ほぼパターン形成層の特性が最適化されてい
る。他方、比較例１は、λ₁₁₁の絶対値が小さい
ため、k₁／Ｋσの絶対値が比較的大きいため、チ
ヤージドウオールがパターンエツジに沿つてHr
の回転とともにスムーズに動かないし、Hrの方
向によつてはチヤージドウオールは、ほとんど消
えてしまう。このためバブルは転送路に沿つてス
ムーズに動かなくなる。比較例２ではＫσは充分
な大きさをもつているが、パターン形成層のＱ値
が大きいため、もともとパターン形成層がもつて
いるkuが大きいため、イオン注入した後の磁気
異方性エネルギーKiが実施例１に比べて小さ
い。このためHk₁／HKσの絶対値は、実施例１
に比べて大きくなる。それ故、Hrを膜面内磁化
困難方向に加えたとき、チヤージドウオールは大
きなK₁効果のため隣接転送路まで伸び、バブル
がそれに結合し、となりの転送路にとび移るエラ
ーをする。このエラーは転送路間距離を広げるこ
とにより緩和される。 実施例１比較例１，２に用いたパターン形成層
の特性をまとめると下表のようになる。 【表】 以上からコンテイギユアスパターンで形成した
バブル転送路では、Hk₁／Ｈ^ｉ _ｋｕ，Hk₁／HKσが
重要な役目をしていることが、はつきりわかる。 実施例１と比較例１の比較からHKσ＞
1500Oe，｜Hk₁／HKσ｜＜0.05が、バブルの安
定転送に必要であることがわかる。 実施例１と比較例２から｜Hk₁／Ｈ^ｉ _ｋｕ｜＜
0.02，｜Hk₁／HKσ｜＜0.017がバブルの安定転
送の条件として求まる。ここで、｜Hk₁／HKσ
｜の値は｜Ｈ^ｉ _ｋｕ｜を大きくしていけば、｜Hk₁
｜は小さくなり、必然的に小さくなるから、｜
Hk₁／Ｈ^ｉ _ｋｕ｜＜0.02以下にすることが第１条件と
なる。したがつて、最終的にはHKσ＞1500Oe，
｜Hk₁／Ｈ^ｉ _ｋｕ｜＜0.02が、コンテイギユアスパタ
ーンで形成した転送路のバブル転送の安定性を決
めていることになる。HKσ＞1500Oeは比較例１
から得た制限である。これは円形孤立パターンの
ように転送路に谷がないパターンでは、比較例１
のパターン形成層でもバブルを駆動できることか
ら判断した制限である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは、本発明のバブル転送のバイア
スマージンを示す図、第２図は比較例のバブル転
送のバイアスマージンを示す図である。Hrは、
面内回転磁界、Hzはバイアス磁界を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガーネツト単結晶基板上に成長したバブル磁
   区を保持しうる磁性ガーネツトと、この磁性ガー
   ネツト上に存在し、磁歪定数が負でバブル転送パ
   ターン部だけ磁化を膜面垂直方向に保ち、他の部
   分は磁化を膜面内に倒し込めた構造をもつ磁性ガ
   ーネツト層のバブル転送路形成層とからなるバブ
   ル素子用ウエハーにおいて、磁化を膜面内に倒し
   込めた部分では、基板との格子定数のミスマツチ
   に基づく歪誘導磁気異方性磁界Hkσが1500Oe以
   上であり、かつ、４回対称磁気異方性エネルギー
   k₁による膜面内異方性磁界Hk₁と磁化を膜面内に
   倒し込む有効異方性磁界Ｈⁱｋ_uとの比の絶対値が
   0.02以下であることを特徴とする磁気バブル素
   子。 ２ 前記バブル転送路形成層は、バブル磁区も保
   持し得る磁性ガーネツト上に直接にまたはスペー
   サーを介して磁化容易軸が膜面垂直方向にある磁
   性ガーネツト層を形成し、バブル転送パターンに
   相当する部分以外の磁性ガーネツト層にイオン注
   入を行なうことにより形成される特許請求の範囲
   第１項に記載の磁気バブル素子。 ３ 前記バブル転送路形成層は、バブル磁区を保
   持しうる磁性ガーネツトの表面のバブル転送パタ
   ーンに相当する部分以外の部分にイオン注入を行
   なうことにより形成される特許請求の範囲第１項
   に記載の磁気バブル素子。