DE2625112A1

DE2625112A1 - Anordnung zum erzeugen magnetischer einzelwand-domaenen

Info

Publication number: DE2625112A1
Application number: DE19762625112
Authority: DE
Inventors: Mark Howard Kryder
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-06-04
Publication date: 1977-01-27
Also published as: FR2316694B1; CH597672A5; ES449303A1; JPS52129245A; FR2316694A1; NL7606384A; US4008463A; GB1501822A; CA1086861A

Description

!Aktenzeichen der Anmelderila: YO 974 073

Anordnung zum Erzeugen magnetischer J]inzelv7and Domänen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Einzelwand-Dornänenerzeuger kann man grob in zwei Klassen einteilen Vorrichtungen einer ersten Art erzeugen neue magnetische Einzelwand-Domänen durch Teilung als Tochterdomänen aus einer Mutterdomäne, die dabei dauernd in der magnetischen Schicht verbleibt.

.Anordnungen der zweiten Klasse erzeugen magnetische EinzelwandiDomänen jeweils neu. Eine obere Grenze für die Arbeitsweise von Domänenerzeugern besteht in der Häufigkeit oder Frequenz der möglichen Erzeugung neuer Domänen. Diese Grenze ist im allgemeinen

ivon Anordnungen der ersten Klasse schneller erreicht. Deshalb ■ werden neuerdings Anordnungen der zweiten Art bevorzugt, v/eil die

■Arbeitsfrequenz von Speichervorrichtungen mit magnetischen Einzel-'<Wand-Domänen erheblich zugenommen hat.

Die amerikanische Patentschrift 3 662 359 beschreibt einen Domänenerzeuger, der sowohl ein magnetisches Bauelement zum Bereitstellen eines lokalisierten magnetischen Feldes als auch eine stromführende Leiterschleife für die Erzeugung eines zusätzlichen magnetischen Feldes enthält. Die amerikanische Patentschrift 3 706 081 beschreibt einen Domänenerzeuger, der zusätzlich weichmagnetische Strukturen enthält, um das für die Domanener zeugung· notwendige

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,magnetische Feld innerhalb der magnetischen Schicht zu verstärken. J Um diese zusätzlichen weichmagnetischen Strukturen näher an die (eigentliche Magnetschicht heranzubringen, ist die bedeckende j Isolierschicht an dieser Stelle mit einer Öffnung versehen.

Wenn man stabile magnetische Einzelwand-Domänen mit einem Durchmesser von zwei Mikron oder weniger erzeugen will, werden Vor- ^! richtungen zux' Domänenerzeugung mit stromführenden elektrischen - Leitern unpraktisch, weil man zu deren Erzeugung bekanntlich eine j hohe Stromdichte braucht. Die Anisotropie des die Einzelwand·- !Domänen tragenden magnetischen Materials muß nämlich grosser sein, j je kleiner die Einzelwand-Domänen v/erden, und deshalb sind relativ starke magnetische Felder für die Erzeugung neuer Einzelwand-Domänen in einem solchen Material notwendig. Um derartige magnetische 'Felder aufzubringen, muß der Strom in den elektrischen Leitern 'dntsprechend stärker sein. Um in amorphem magnetischem Material _r wie Gd-Co-Mo, magnetische Einzelwand-Domänen mit einem Durchmesser von zwei Mikron zu erzeugen, braucht man Ströme in der Grössenordnung von 30 mA. Bei gebräuchlichen Abmessungen entspricht

7 2 dies einer Stromdichte von etwa 10 A/cm . Bei solch hohen Strom- !dichten kann aber dann bereits Materialwanderung (Elektromigration) auftreten.

,Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Domänenerzeuger unter ■Anwendung elektrischer Leiterschleifen anzugeben, wo magnetische ]Domänen mit sehr kleinem Durchmesser zu erzeugen sind, jedoch die Probleme der Elektromigration weitgehend ausgeschaltet sind.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe gelöst wie im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben. Im Gegensatz zu bisher üblichen Anordnungen der eingangs geschilderten Art, fließt bei der Erfindung also der zur Domänenerzeugung erforderliche Strom für ei-

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nen Teil seines Weges durch die amorphe magnetische Schicht, die allerdings elektrisch leitend ist.

Vorteilhafter Weise besteht dabei die amorphe magnetische Schicht aus einer Mischung von Gadolinium, Kobalt und Molybdän.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht
die auf der amorphen magnetischen Schicht aufliegende elektrisch isolierende Schicht aus Siliciumdioxid.

FJs hat sich in der Praxis gezeigt, daß bei Verwendung eines entsprechenden amorphen Magnetschichtbereichs für einen Teil des die I Leiterschleife des Domänenerzeugers bildenden Strompfades, die
Domänenerzeugung bei gegenüber bisher wesentlich verringertem

; Strombedarf stattfindet. Das bedeutet dann aber, daß bei Anwen-

j dung der Erfindung unter praktisch ausgeschalteter Elektromigra-

.tion magnetische zylindrische Einzelwand--Domänen äußerst kleiner ,Abmessungen in amorphen Magnetschichten erzeugt v/erden können, und j zwar mit einem Durchmesser von 2 um und weniger.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung lassen sich bei Anwenden nur eines einzigen Metallisierungsganges sowohl die magnetische Schaltung als auch die Einzelwanddomänen -Erzeuger auf
der amorphen Magnetschicht anbringen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Domänenerzeuger zum Erzeugen von ma

gnetischen Einzelwand-Domänen in einem amorphen magnetischen Material gemäß der Erfindung;

'Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei

. der üomänenerzeuger nach Fig. 1 Teil einer ma

gnetischen Schaltung für die Verschiebung und Leitung von magnetischen Zylinderdomänen ist.

Eine Schicht 10 aus amorphen magnetischen Material ist mit einer nichtmagnetischen Isolierschicht 12 überzogen. Das amorphe magnetische Material dient als Trägerschicht für zylindrische magnetische Einzelwand-Domänen. Ein geeignetes Material besteht beispielsweise aus einer Legierung von Elementen der seltenen Erden mit Übergangsmetallen. Ein Beispiel hierfür ist Gd-Co-Mo. Solche amorphen magnetischen Materialien sind beispiels-

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weise beschrieben in der Schweizer Patentschrift 554.049 und in einem Artikel von P. Chaudhari et al, der im IBM Journal of Research & Development, Januar 1973, auf der Seite 66 erschien.

Die Abstandsschicht 12 ist eine nichtmagnetische Schicht, die gewöhnlich aus einem Isolator besteht wie beispielsweise SiO . Ihr Zweck besteht darin, die

Lt

Leitungen und Leitstrukturen, die man braucht, um die zylindrischen Domänen zu erzeugen, zu verschieben oder in anderer Weise zu behandeln, magnetisch von der Schicht 10 des amorphen magnetischen Materials zu trennen, um eine unerwünschte Erzeugung von Domänen darin zu vermeiden.

Ein Domänenerzeuger nach der vorliegenden Erfindung enthält stromführende Leiter 16A und 16B auf der Oberseite der Abstandsschicht 12. Diese Leiter besitzen Anschlüsse 18A und 18B, welche mit einer Stromquelle 20 verbunden sind. Eine Steuereinrichtung 22 gibt Steuersignale an die Stromquelle 2 0, um entsprechende Stromimpulse in den Leitern 16A und 16B auszulösen.

Eine Treibfeldquelle 24 ist vorgesehen, um die rotierenden magnetischen Treibfelder bereitzustellen, die dazu dienen, die magnetischen Zyliriderdomänen in der amorphen magnetischen Schicht 10 zu verschieben. Diese Quelle kann beispielsweise aus stromführenden Spulen bestehen, die das magnetische Treib-

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feld in der Ebene der Schicht 10 bereitstellen. Dieses Feld erzeugt in bekannter Weise wechselnde magnetische Pole an weichmagnetischen Leitstrukturen, die sich üblicherweise oberhalb der magnetischen Schicht befinden.

Eine Stützfeldquelle 26 erzeugt ein magnetisches Feld, das man braucht, um
die Grosse der Zylinderdomänen in der Magnetschicht 10 zu stabilisieren.
Dieses Feld H ist antiparallel zur Magnetisierung der Zylinderdomänen innerhalb der Schicht 10 gerichtet. In der Fig. ist das durch einen Pfeil H in Nor-

malenrichtung zur Schicht 10 angedeutet.

Die Abstandsschicht 12 enthält eine Oeffnung 28, wodurch die darunterliegende amorphe Magnetschicht 10 freigelegt wird. Als Folge davon berühren in diesem Gebiet die Leiter 16A und 16B die Oberfläche der magnetischen Schicht 10 inner halb der Oeffnung 28 .

Im Betrieb wird eine Zylinderdomäne in dem magnetischen Material 10 an einer Stelle zwischen den Leitern 16A und 16B erzeugt und zwar innerhalb des Gebietes 28 der Schicht 12, wo das Abstandsmaterial entfernt ist. Um eine solche Domäne zu erzeugen, wird durch die Stromquelle 2 0 ein Stromimpuls I erzeugt, der durch den Leiter 16A hineinflies st, dann durch das amorphe magnetische
Material der Schicht 10 zum Leiter 16B und dann zurück zur Stromquelle 20

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fliesst. Das amorphe magnetische Material ist daher selbst Teil des Strompfades in diesem Domänenerzeuger.

Nachdem eine Zylinderdomäne- erzeugt ist, kann diese in bekannter Weise durch entsprechende Leitungen und Leitstrukturen innerhalb der magnetischen Schicht 10 bewegt werden. Neue Stromimpulse in den Leitern erzeugen auch weitere Zylinderdomänen.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausfünrungsbeispiel des Domänenerzeugers. Hier ist der Domänenerzeuger 14 gleichzeitig Teil der Leitstruktur, welche Winkelstücke 3ΰ enthält, die man braucht, um Zylinderdomänen innerhalb der magnetischen Schicht 10 mit Hilfe des ungelegten Treibfeldes H zu verschieben. Eine Oeffnung in der Ab stands schicht 12 gleich der Oeffnung 28 legt die Oberseite der amorphen Magnetschicht 10 in diesem Gebiet frei. Infolgedessen können die Ströme I in den Kolonnen Cl und C2 von Winkelstücken über einen Strompfad zwischen diesen Kolonnen fliessen, der durch die amorphe magnetische Schicht 10 hindurchgeht.

Die Winkelstücke 30 sind vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material hergestellt wie eine Nickel-Eisen-Legierung. Die Kolonnen Cl und C2 sind mit einer Erzeugerstromquelle 32'verbunden, welche den Strom I zu dieseni

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Kolonnen liefert. Weil in dem Gebiet 28 die isolierende Abstandsschicht 12 fehlt, flies st der Strom von einer Kolonne zu der anderen durch die leitfähige amorphe magnetische Schicht 10 hindurch und kehrt über die andere Kolonne zur Stromquelle 32 zurück. Die Winkelstücke in diesen Kolonnen Cl und C2 werden dazu gebraucht, magnetische Pole zum Anziehen und Bewegen von Zylinderdomänen innerhalb der Magnetschicht zu bilden, deren Orientierung entsprechend dem Umlaufen des Treibfeldes H, das von der Treibfeldquelle 34 geliefert wird, sich ändert. Die Grosse der magnetischen Zylinderdomänen in der magnetischen Schicht 10 wird durch Parameter des amorphen magnetischen Materials und durch die Grosse des Stützfeldes H bestimmt, welches durch die Stützfeldquelle 36

geliefert wird. Eine Steuereinrichtung 38 liefert Steuersignale an die Erzeugerstromquelle 32, die Treibfeldquelle 34 und die Stützfeldquelle 36.

Im gleichen Herstellungsgang wie die Leitstrukturen wurde auch ein Fühler S hergestellt. Der Fühler S arbeitet nach dem magnetoresistiven Verfahren und ist mit seinen Zuleitungen 42 an eine Stromquelle 40 angeschlossen. Die Ausgangsspannung V zeigt an, ob sich eine Domäne in der Nähe des Fühlers S im Bereich möglicher Kopplung der magnetischen Flüsse befindet.

Die Herstellung einer Oeffnung 28 in der Abstandsschicht 12 kann leicht durch einen unkritischen Maskenschritfmit nachfolgendem Aetzen erfolgen, wobei im

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Gebiet 28 das Isoliermaterial entfernt wird. Es ist daher nur die Herstellung einer einzigen Matallisierungsschicht mit der Nickel-Eisen-Legierung notwendig, um eine Speichereinrichtung herzustellen, die das Schreiben, Lesen und Verschieben von Zylinderdomänen ermöglicht.

Der neue Domänenerzeuger wurde auf einer amorphen magnetischen Schicht aus GdCoMo im Betrieb getestet. Zum Vergleich wurden zwei Domänenerzeuger aus dem amorphen magnetischen Material hergestellt. Der erste Domänenerzeuger bestand aus einer konventionellen Haarnadel-Leiterschleife, die völlig von dem amorphen Material durch eine Schicht von SiO isoliert war. Der zweite Domänenerzeuger entsprach dem in der Fig. 1 dargestellten Beispiel und enthielt zwei Stromleiter, die voneinander isoliert waren mit Ausnahme eines kleinen Gebietes, wo der Strompfad über das amorphe magnetische Material geschlossen war. Jeder dieser Domänenerzeuger wurde mit Strömen beaufschlagt, um eine Zylinderdomäne zu bilden, und die dazu notwendigen Stromwerte wurden festgestellt ... Im ersten Falle war ein Strom von etwa 200 mA erforderlich, um in dem Domänenerzeuger konventioneller Bauart mit der isolierten Haarnadel-Leiterschleife eine Zylinderdomäne in der amorphen magnetischen Schicht zu erzeugen. In dem zweiten Domänenerzeuger nach der Erfindung betrug dieser Strom nur etwa 46 mA. Es ist daraus ersichtlich, dass der neue Domänenerzeuger nach der Erfindung nur etwa 1/4 des Stromes braucht, den ein Domänen-

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erzeuger konventioneller Bauart bei etwa gleichen Abmessungen benötigt.

Die Leitungszüge der Domänenerzeuger des Testmodells waren etwa 1 Mikron dick und 2 1/2 Mikron breit. Ihr Abstand betrug ebenfalls 2 1/2 Mikron. Die Versuchsergebnisse waren etwa die gleichen, unabhängig von Veränderungen des Abstands bzw. der Dicke der Abstandsschicht 12. Es wurden beispielsweise praktisch die gleichen Ströme für die gleichen Ströme für die Erzeugung einer Domäne gebraucht, gleichgültig ob die Abstands schicht 500 Angström oder lOOQAngströmdick war. Die Impulsbreite der benutzten Stromimpulse in den Domänenerzeugern war im allgemeinen kleiner als etwa 1 Mikrosekunde. Befriedigende Ergebnisse wurden beispielsweise mit Stromimpulsen erzielt, deren Impulsbreite einige 100 Nanosekunden betrug.

Die Tatsache, dass die Domänenbildung anscheinend unabhängig von der Dicke der Abstandsschicht 12 ist und dass die Impulsbreite der Stromimpulse kleiner als etwa 4 oder 5 Mikrosekunden war, ist ein Zeichen dafür, dass die Domänenbildung nicht durch thermische Effekte begründet ist. Domänenerzeuger, die den thermischen Effekt ausnutzen, sind beispielsweise durch die US-Patentschrift 2,789,375 bekanntgeworden und den. Aufsatz von Ashkin et al "Interaction of Laser Light with Magnetic Domains", auf Seite 253 in den Applied Physics Letters, Band 21, No. 6 vom 15. September 1972. Anstatt eine:

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thermischen Effektes scheint es, dass der Stromfluss durch die amorphe magnetische Schicht selbst wesentlich ist, um eine Erzeugung von Domänen auch bei geringen Stromdichten zu ermöglichen. Zum gleichen Schlüsse führt die Tatsache, dass die Entfernung der Abstandsschicht 12 zwischen den Stromleitern aufeiher Magnetschicht aus einem Granatmaterial keine vergleichbare Herabsetzung des Domänenerzeugerstromes bewirkt. Es erscheint daher möglich, dass die Herabsetzung des Domänenerzeugerstroms auf eine starke Wechselwirkung zwischen den Domänenwänden und dem Erzeugerstrom, der durch das amorphe magnetische Material selbst fliesst, zurückzuführen ist. Veröffentlichungen , die sich auf die Wechselwirkung von flies senden Strömen auf die V'ände von magnetischen Domänen beziehen, sind beispielsweise folgende: W.J. Carr, Jr., Journal of Applied Physics 45 , 394 (1974) und S.H. Charap, Journal of Applied Physics 45 , 397 (1974).

Die dargestellten Ausführungsbeispiele dienen nur zur Veranschaulichung des neuen Domänenerzeugers. Selbstverständlich sind andere Anordnungen der Treibleiter und Leitstrukturen möglich. Wesentlich ist jedoch, dass bei dem Domänenerzeuger ein Teil des Strompfades durch die amorphe magnetische Schicht selbst gebildet ist.

Der Domänenerzeugerstrom fliesst praktisch in einer Ebene parallel zu der

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amorphen magnetischen Schicht. Als Beispiel für die Stromwerte sei angegeben dass ein Strom von etwa 40 mA in den Stromleitern der Ausführungsbeispiele ein lokalisiertes magnetisches Feld von etwa 50 bis 100 Oe hervorruft, wenn dieser Strom durch eine Schicht von amorphem GdCoMo fliesst. Wie aus den Ausführungsbeispielen ersichtlich ist, besteht ein planarer Domänenerzeuger aus Leitern, die in einer Ebene angeordnet sind, die parallel zur amorphen magnetischen Schicht verläuft. Diese Stromleiter kontaktieren jedoch die amorphe magnetische Schicht in einem lokalisierten Bereich, so dass die Domänenerzeugerströme in diesem Teil durch das amorphe magnetische Material selbst fliessen. Diese Ströme liefern ein magnetisches Feld innerhalb des amorphen Mediums, das ausreicht, , um Zylinderdomänen darin zu erzeugen. Im Gegensatz zu der Grössenordnung der Ströme, die man üblicherweise brauch¹ um Zylinderdomänen sogar in amorphen Materialien zu erzeugen, wenn die Stromleiter von der Magnetschicht isoliert sind, liegen die Domänenerzeug erströme in der neuen Vorrichtudng nach der Erfindung mit einem Teil des Strompfades in der Schicht selbst wesentlich unter den Werten, die man eigentlich erwarten würde. Es scheint daher, dass eine kompliziertere Wechselwirkung des Stromes in der amorphen magnetischen Schicht zu diesem unerwarteten Ergebnis führt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

! 1. Anordnung zum Erzeugen magnetischer Domänen in einer der Einwirkung eines magnetischer Stützfeldes unterworfenen magnetischen Schicht mit Hilfe von wahlweise erregbaren elektrischen Leiterschleifen,
dadurch gekennzeichnet,

j daß oberhalb einer amorphen, elektrisch leitenden, magne- ; tischen Schicht (10) eine Isolierschicht (12), insbesondere!

i j

i aus SiO₂, angeordnet ist, auf der sich elektrische Leiter- ι

! I

: züge (16A, 16B) erstrecken, die zur Bildung von Leiterschleifen über entsprechende Öffnungen (28) in der Isolierschicht (12) an vorgegebenen Punkten mit der magnetischen Schicht (10) in Kontakt stehen.
2. Anordnung nach Anspruch 1,

I dadurch gekennzeichnet,

i daß quer zu und unterhalb von zwei parallel zueinander ver-

j laufenden elektrischen Leiterzügen (16A, 16B) eine Ausneh-

: mung in der Isolierschicht (12) als gemeinsame Öffnung (28) ■ vorgesehen ist, welche die elektrische Verbindung beider Leitungszüge (16A, 16B) miteinander gewährleistet.

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3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

¹ daß die genannten elektrischen Leitungszüge aus weichma-ι gnetischem Material bestehen und gleichzeitig Teil einer i Leitstruktur (30) zum Verschieben und Leiten der magneti-I sehen Einzelwand-Domänen innerhalb der amorphen magnetisehen Schicht (10) sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leitungszüge (30) zur Einzelwand-

¹ Domänenweiterleitung im wesentlichen senkrecht zur Leitungszugangsrichtung ausgebildete, einander gegenüberliegende Leiterschleifen besitzen _: die jeweils in ihrer Mitte

leicht abgewinkelt sind.

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