DE1774320C - Magnetisches Dunnfilm Speicher element - Google Patents

Description

Die vorliegende Frfindung bezieht sich auf ein magnetisches Dünnfilm-Speichen;lenient mit geschlossenem Weg des magnetischen Flusses, das einen ersten, auf einem Substrat aufgebrachien, dünnen magnetischen Film, eine auf dem ersten magnetischen Film aufgebrachte Schicht aus elektrisch leitendem Material, welche eine frei liegende feinkörnige glatte Oberfläche besitzt, einen /weiten, auf der glatten Oberfläche der Schicht aus elektrisch leitendem Material aufgebrachien dünnen magnetischen Film sowie den Weg des magnetischen Flusses schließende Filme aus magnetischem Material, welche sich über die Seitenflächen des ersten und zweiten magnetischen FiInerstrecken.

Matrixspeicher aus dünnem magnetischem Für.· für sehr schnelle Speicherzwecke sind bekannt. E sind heute generell zwei grundsätzliche Typen vor. Filmspeichern allgemein in Gebrauch. Dabei handelt es sich zum einen um ebene Filme und zum anderen

ίο um zylindrische Filme für Speicherzwecke.

Ebene magnetische Filme aus Band hoher Qualiti: können relativ dünn gemacht werden, wobei selbständige Entmagnetisierungseffekte reduziert sind. Allerdings ist jede magnetische Domäne in einem ebenen

Film ihrer Natur nach eine Konfiguration mit offenem Flußweg. Daher sind die Entmagnetisierungseffekie nahe den Rändern einer ebenen Domäne eine Gefahr für die Stabilität einer Speicherzelle. Diese Situation kann durch 'Jbercinanuersetzen von zwei dünner:

Filmen und damit von zwei Speicherfilmen etwas verbessert werden, wobei eine »Sandwich-Struktur* gebildet wird und die Zellen antiparallel magnetisiert werden. Eine derrrtige »Sandwiche-Konnguraüon, weiche einen quasi geschlossenen Flußweg aufweist.

ist in dem Artikel »Closed-Flux Thin Magnetic Film Memory Prepared by Electroplating«, von J. E. E i d e. in »Journal of Applied Physics«, Vol. 37, Nr. 3, März 1966, S. 1365 und 1366, beschrieben. Allerdings wird bei einem derartigen »Sandwich«- Dzw.

Doppelkernelement generell kein vollständiger Schluß des magnetischen Flußweges erreicht; d.h., die vertikal verlaufenden magnetischen Filme stehen tatsächlich nicht mit dem oberen Film aus magnetischem Material voll in Kontakt, so daß keine konstante Dicke des magnetischen Flußweges erreicht wird.

Bei zylindrischen Filmen, bei denen ein magnetischer Film mit seiner leichten Achse in Umfangsrichtung auf einem Draht aufgebracht wird, ist der geschlossene Flußweg kein Problem. Allerdings führt die Oberflächenrauhigkeit von Drähten zu einer vergleichsweise hohen Anisotropiedispersion und damit zu einer schlechten Filmqualität. Darüber hinaus begrenzt die Oberflächenquaütät von bekannten zylindrischen Su bsi raten das Aufbringen von magnetischen Filmen auf Dicken, welche größer als 5000 Angström sind. Obwohl eine derartige Dicke ein größeres Abfragesignal liefert, ergeben sich starke Entmagnctisierungs- und Kriechproblemc, welche die Stabilität der gespeicherten Information nachteilig beeinflussen.

Darüber hinaus führen zylindrische Filme zu schwerwiegenden Handhabungsproblemen, da ihr Substrat, ein relativ dünner Draht, weit weniger dauerhaft und fest ist, als Substrate für ebene Filme.

Obwohl beide Arten der vorgenannten Speicherelemente bei der Herstellung von Speichersystemen verwendet werden, sind die Nachteile einer geringen Packungsdichte und einer geringen Zuverlässigkeit vorhanden. Da eine geringe PackungsdkKC eine reduzierte Spcicher/yklusgeschwindigkeit und einen größeren Leistungsverbrauch bedeutet, ist eine groiiete Packungsdichte eine wichtige und wünschenswerte Eigenschaft.

Es ist weiterhin aus der Zeitschrift »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 9, Nr. 1, Juni 1966, Sciten 69 und 70, bereits ein magnetisches Speicherelement bekanntgeworden, das die genannten großen Packungsdichlen gewährleistet. Dabei handelt es sich um ein Speicherelement mit geschlossenem Weg des

nwL'neiischcn Flusses, das aus zwei Speicherfilmen, nämlich einem oberen und unleren .Speicherfilm he-■ [chi, zwischen denen ein elektrisch leitendes Material ungeordnet ist; dabei sind weiterhin die Seitenflachen des oberen und unteren magnetischen Films derart r.it Filmen aus magnetischem Material abgedeckt, •Λ:β ulk- Filme einen geschlossenen magnetischen Weg i ; äcn, wobei jedoch alle magnetischen Filme aus dem ■Λ .hen magnetischen Material hergestellt sind.

;)er vorliegenden Erfindung liegt nun die Auf- to .:<-■£. zugrunde, ein derartiges Dünnfilm-Speicher-. nient so auszugestalten, daß eine Anpassung der tigungsmagnetisierung in der Struktur des gegossenen magnetischen Weges erreicht wird. , )iese Aufgabe wird bei einem Dünnfilm-Speichernent der eingangs genannten Art erfindungsgemäß iiirch gelöst, daß die den Weg des magnetischen . >es schließenden Filme aus einem Material hoher icabilität sind.

■ irch Ausbildung der den Weg des magnetischen ao -es schließenden Filme aus hochpermeablem Ma- .%■■ wird gegenüber dem bekannten Speicherelement .obengenannten Art eine Anpassung der Satli-■,magnetisierung im gesamten geschlossenen maischen Weg erreicht. Fs bleibt dabei die Wahl .Speicherfilme frei, die hinsichtlich ihrer magne- ; .ρ, Eigenschaften so gewühlt werden können, sowohl zerstörungsfrei als nicht zerstörungsfrei .obare Speicher aufgebaut werden können.

ist /war bereits aus »IBM Technical Disclosure -Min«, Vol. 8, Nr. U, April 1966, Seiten 1612 und ι bis 1616, bekannt, den Weg magnetischer FIuB-Ii;-,. 1 durch ein Material hoher Permeabilität und f ■ :i.'cr Koerzitivkraft zu schließen. Dabei ist jedoch nv i daran gedacht, bei Doppclfilmelcmenten den K !luß von einen zum anderen Speicherfilm zu ■,hielten.

■);c vorliegende Erfindung sieht also ein verbes-„rrie··. Speicherelement mit geschlossenem Flußweg vvr, das die Vorteile eines ebenen Filmspeichereleiih'ua's mit denen eines zylindrischen Filmspcichereleirentcs wirksam vereinigt. Das Speicherelement mit μι. ■< llossencm rragnciischem Fluß gemäß der Er limiting geht also von zwei im Abstand voneinander befindlichen dünnen Filmen aus magnetischem Maleruil aus, zwischen denen eine elektrisch leitende Metallschicht vorgesehen ist. Der »obere« magnetische Film, welcher auf dem elektrisch leitender; Material aufgebracht ist, besitzt generell weniger gute magnetische Eigenschaften. Dies ergibt sich aus der mikroskopischcn Rauhigkeit der leitenden Schicht, welche zu einer vergrößerten Dispersion in der !eichten Achse fühlt, und aus der Tatsache, daß ein großer Teil der Wechselwirkung — im wesentlichen epilaxialcr Natur

zwischen den Kristallen der metallischen Schicht und den Atomen des aufgebrachten magnetischen Films stattfindet. Um diese weniger guten Bedingungen zu vermeiden, wird gemäß einer Weiterbildung der Hilindung eine spezielle Schicht aus nichlmagnetisc'nem feinkörnigem Material, wie beispielsweise Nickel — Phosphor, verwendet, welche auf der Oberfläche der leitenden Schicht einen »glättenden·'. Film und einen »glättenden« HHVkI herbeiführt. Die auf der elektrisch leitenden Schicht aufgebrachte »obere« oder zweite Schicht aus magnetischem Material, wel.-he spe/iell eine Nickel-Phosphor-Schichl ist, wird daher von den durch die elektrisch leitende Schicht hervorgerufenen epilaxialcn oder anderen F.ITektcn isoliert, so daß die Eigenschaften dieser zweiten magnetischen Schicht stark verbessert werden. Der Aufbau des Dünnfilm-Speicherelementes mit geschlossenem Weg des magnetischen Flusses wird gemäß der Erfindung durch vertikal zwischen den Speicherfilmen verlaufende, den magnetischen Weg schließende Filme aus magnetischem Material mit hoher Permeabilität vervollständigt, wobei diese Filme sich über die gesamte Dicke der entsprechenden Seitenflächen der im Abstand voneinander befindlichen dünnen magnetischen Filme erstrecken und vollständig mit diesen verbunden sind.

Das Speicherelement gemäß der Erfindung besitzt daher alle Vorteile eines Aufbaus mit geschlossenem Fluß im Vergleich zu ebenen und zylindrischen Speicherelementen, wozu im Vergleich zu bekannten Doppelkcrn- und »Sandwiche-EIcmenlen, welche lediglich einen quasi geschlossenen Flußweg besitzen, die zusätzlichen Vorteile einer geschlossenen Flußkonfiguration mit einem vollständig geschlossenen Weg kommen, die sich, wie oben erwähnt, aus den hochpcrmcablen, den magnetischen Weg schließenden Filmen ergeben.

Die Erfindung wird nachfolgend durch Beschreibung von Ausführungsbehpiclcn an Hand der Figuren näher erläutert. Fs zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Speicherelement mit geschlossenem Weg des magnetischen Flusses gemäß der Erfindung und

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht einer Speicherzelle unter Verwendung des Speicherelcmentes nach Fig. 1, einschließlich einer Vorrichtung zur Einschreibung und Auslesen von Informationen.

F i g. 1 zeigt ein Speicherelement 10 mit geschlossenem magnetischem Fluß gemäß der Erfindung, das auf einem Substrat 12 aufgebracht ist. Dieses Substrat ist aus »glattem« festem Material, wie beispielsweise Glas, oder aus einem »glatten« flexiblen Material mit harzhedeckter Oberfläche, wie beispielsweise einem Polyester, hergestellt. Ein erster dünner magnetischer Film 14 ist auf dem Substrat 12 aufgebracht, während auf diesem ersten Film 14 eine elektrisch leitende Schicht 16 aufgebracht ist. Wie bekannt, ist es generell möglich, auf dem Substrat 12 eine leitende Schicht (nicht dargeslcllt) vorzusehen, um das Aufbringen des ersten Films 14 zu ermöglichen. Ein sehr dünner Film 18 aus nichtmagnctischcm, feinkörnigem Material, wie beispielsweise Nickel — Phosphor, ist auf der elektrisch leitenden Schicht 16 aufgebracht. Auf dem Film 18 ist weiterhin ein zweiter dünner magnetischer Film 20 aufgebracht. Längs den Querseiten der Kombination aus den Filmen 14, 18 und 20 und der Schicht 16 sind vertikale Flußschlußfilme 22 und 24 vorgesehen, welche einen voll zusammenhängenden magnetischen Flußweg zwischen den Rändern der magnetischen Filme 15 und 20 bilden, so daß eine Struktur entsteht, welche auch die elektrisch leitende Schicht 16 einschließt.

Die elektrisch leitende Schicht 16 kann aus einem der gebräuchlichen elektrisch leitenden Materialien, wie beispielsweise Kupfer oder Silber, hergestellt sein. Die Dicke der Schicht 16 hängt von der für den speziellen Speicher geforderten I .eitfäliigkcit ab; beispielsweise ist die Dicke von der Länge lies Elementes 10 abhängig. Die dünnen magnetischen Filme 14 und 20 können aus einem der gebräuchlichen magnetischen Filmmatcrialicn, wie beispielsweise Permalloy, hergestellt sein, wobei in Abhängigkeil von der Verwen-

dung des Elementes in einem zerstörenden oder zerstörungsfreien Aiislcsesystcni Materialien hoher oder kleiner Koerzitivkraft verwendbar sind. (»Hartmagnctischc« oder »wcichmagnelisdic« Materialien.) So kann, wie bekannt, ein wciehmagnclischcr Film aus b einer Nickcl-Iiiscn-Zusammensclzung und ein harlmagnctischer Film aus einer Nickcl-Eisen-Kobalt-Zusammcnselzung hergestellt werden. Die Dicken der Filme 14 und 20 können beispielsweise von 100 Angslröm bis 1 μ variieren. Die vertikalen Flußschlußlilmc 22 und 24 sind aus magnetischem Material, vorzugsweise aus einem Material holier Premcabililät, wie beispielsweise Permalloy, hergestellt, wobei sowohl das Material als auch die Dicke durch die Magnetisierungssättigung bestimmt wird. Die Eigenschaften der Flußschliißlilme22 und 24 sollen also eine Anpassung an die Magnclisicrungssüttigung durch die gesamte Struktur mit geschlossenem Fluß herbeiführen. Auf diese Weise kann durch Variieren der Dicke der Flußschlußfilme 22 und 24 und durch Wahl eines Materials mit entsprechender Permeabilität die Magnclisierungssältigung zwischen den Filmen um den geschlossenen Weg angepaßt werden. Die Dicke der Filme 22 und 24 kann beispielsweise von 100 Angström bis 2 μ variieren. Die Filme 22 und 24 könncn auch aus einem Material hoher Permeabilität mit geringförmigen Zusätzen hergestellt werden, um beispielsweise den Aufbringvorgang zu verbessern. Derartige Zusätze sind beispielsweise Zink, Cadmium, Kobalt, Kupfer usw.

Der nichlmagnctische feinkörnige Film 18 ist vorzugsweise aus einer Nickel-Phosphor-Zusammenselzung mit 80 bis 92°/o Nickel und 8 bis 20 ⁰Zo Phosphor hergestellt. Er kann jedoch auch aus anderen geeigneten Materialien, wie beispielsweise Chrom, nichtmagnetisches Nickel — Chrom, Rhodium und verschiedene von dessen Legierungen mit geeigneten Eigenschaften hergestellt werden. Die Dicke des Films 18 ist generell größer als 50 Angström.

Wie oben erwähnt, können die magnetischen Filme 14 und 20 des Elementes 10 aus einem weichmagnetischem Material hergestellt werden, um ein zerstörendes Auslcsesystem zu bilden. Allerdings kann der Film 14 auch aus einem hartmagnetischen Material hergestellt werden, wobei ein zerstörungsfreies Auslescsystem hergestellt werden kann, wie im folgenden noch beschrieben wird. Die Materialien der verschiedenen Filme und Schichten können durch gebräuchliche und in der Technik der Magnetfilmherstellung bekannte Prozesse hergestellt werden. Derartige Prozesse sind beispielsweise das elektrolytische Abscheiden und das Ätzen.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Teils einer Speicherzeile 26, in der ein Paar von Speicherelementen 10 mit geschlossenem Fluß gemäß der Erfindung verwendet wird. Die Elemente 10 sind auf einem geeigneten Substrat 12 aufgebracht. Um die Speicherelemente 10 zu unterteilen, d. h., um Speicherbereiche oder Bitstellen längs ihrer Länge zu bilden, ist senkrecht über den Elementen 10 und dem Substrat 12 in an sich bekannter Weise ein Streifenleiter 28 angebracht. Der Streifenlciter 28 kann in konventioneller Weise durch Ätzen und Abscheiden eines Materials hergestellt werden; er kann andererseits auch durch Aufbringen auf einem getrennten Substrat, wie beispielsweise einem flexiblen Band, hergestellt werden, das dann unmittelbar auf die Speicherelemente 10 aufgebracht wird.

Die Wirkungsweise der Zeile 26 nach F i g. 2 wird im Hinblick auf ein zerstörungsfreies Auslesungssystem unter Verwendung von Speicherelementen 10 mit einem hartmagnetischen Film 14 und einem wciehmagnctisehcn Film 20 beschrieben. Die Speicherung von Information kann durch Einprägen eines ausreichend hohen Feldes in die Elemente 10 durchgeführt werden, um den hartmagnetischen Film 14 zu erhalten. Das Feld wird normalerweise durch Koinzidenz eines direkten Trcibcrfcldcs, das durch Stromzufuhr über Leitungen 30 zu den leitenden Schichten 16 erzeugt wird, und eines transversalen Treibcrfeldes, das durch Strom im Leiter 28 erzeugt wird, eingeprägt. Beim Auslesen der Elemente 10 wird ein Feld, das zur dauernden Zerstörung der im harlmagnctischen Film 14 aufgezeichneten Information nicht ausreicht, durch den transversalen · Leiter 28 aufgeprägt. Dieses Feld dreht die Magnetisierung in der weiclimagnclischen Schicht 20, was zu einer lnduzicrung eines Stromes und einer Spannung in der leitenden Schicht 16 führt. Dieser induzierte Strom isi ein Maß für die aufgezeichnete Information und kanr durch konventionelle Einrichtung festgestellt wer den, um die Auslesung der Speicherreihe 26 durch zuführen.

Im zerstörenden Auslesesystcm werden in der Spei cherrcihc Speicherelemente 10 mit weichmagnetischci Filmen 14 und 20 verwendet, wobei die Bits durti Einprägen eines Feldes in die Elemente 10 über da Leiter 28 und die leitende Schicht 16 aufgezeicline werden. Die Auslesung wird durch Einprägen eine Stromes nur in den Leiter 28 und gleichzeitiges Fest stellen der Richtung des in der Schicht 16 erzen;' ten Stromes durchgeführt. Die Stromrichlung in d· Schicht 16 hängt dabei von der Flußänderung in ύ~ magnetischen Filmen 14 und 20 ab.

Wie F i g. 1 zeigt, wird ein vollständiger Fk: Schluß durch die Verwendung der magnetischen FiIi' 22 und 24 erreicht, wobei keine Wechselwirkung z^ sehen dem magnetischen Material von benachbart Elementen 10 (F i g. 2) stattfinden kann. Das dur> die leitende Schicht 16 erzeugte Feld stellt den eis zigen möglichen Störungseinfluß für benachbarte El·. mcnte 10 dar. Dies rührt daher, daß das durch ei Element 10 hervorgerufene Feld in bezug auf benacl bartc Elemente lediglich aus einer Verlikalkompi nente besteht und daher unwesentlich ist. Daher i die Packungsdichte lediglich durch die Fabrikation technologie und nicht durch Wechsclwirkungspn bleme bestimmt, wie dies bei konventionellen ebene und zylindrischen Filmspeichern der Fall ist.

An Stelle der in den Ausführungsbeispielen g nannten Materialien können auch andere geeigne Materialien zur Bildung der Schichten und/odi Filme verwendet werden. Der Begriff feinkörnig ist · definiert, daß er ein Material mit einer Korngröi bezeichnet, die gleich oder kleiner als eine Domäne wanddicke ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   I. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement mit geschlossenem Weg des magnetischen Flusses, das einen ersten, auf einem Substrat aufgebrachten dünnen magnetischen Film, ene auf dem ersten magnetischen Film aufgebracht Schicht aus elektrisch leitendem Material, welc ie eine frei liegende feinkörnige glatte Oberfläche besitzt, einen zweiten, auf der glatten Oberfläciie der Schicht aus elektrisch leitendem Material lufgebrachten dünnen magnetischen Film sowie d en Weg des magnetischen Flusses schließende Filme aus magnetischem Material, welche sich über die Seitenflächen des ersten und zweiten magretischen Films erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die den Weg des magnetischen Flusses schließenden Filme (22, 24) aus einem Material hoher Permeabiiiuu sind.
2. 2. Speicherelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dünnen iilm (18) aus nichtmagnetischem, feinkörnigem Material zwischen der elektrisch leitenden Schicht (16) und dem zweiten magnetischen Film (2(1) zur Bildung der glatten frei liegenden Oberflä( hen der elektrisch leitenden Schicht.
3. 3. Speicherelement nach Aispruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß d;r erste und zweite magnetische Film (14, 20) aus ■ »eichmagnetischem Material mit einer Koerzitivkraft in der Größenordnung von 0,1 bis 30 Oersti d und einem Anisotropiefeld von 0,5 bis 50 Oei sled hergestellt ist.
4. 4. Speicherelement nach Aispruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste magnetische Film (14) aus einem harmagnetischen Material mit einer Koerzitivkraft η der Größenordnung von 5 bis 50 Oersted und einem Anisotropiefeld von 8 bis 20 Oersted und der zweite dünne magnetische Film (20) aus ei iem weichmagnetischen Material mit einer Koerzitivkraft in der Größenordnung von 0,1 bis 30 Oersted und einem Anisotropiefeld von 0,5 bis 40 Oersted hergestellt ist.
5. 5. Speicherelement nach eiium der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite magnetische Film (14,20) eine Dicke in der Größenordnung von 100 Angström bis 1 μ, die Flußschlußfilme (22,24) ene Dicke in der Größenordnung von lOOAngsiröm bis 2μ und der nichtmagnetische feinkörnige Film (18) eine Dicke von größer als 50 Angström besitzen.
6. 6. Speicherelement nach einender Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Film (18) aus feinkörnigem Material eine Korngröße besitzt, welche kleiner als eine Domänenwanddicke ist.