Journal of Magnetism and Magnetic Materials 4 (1977) 174-179 © North-Holland Publishing Company

MAGNETISCHE DOMANENSPEICHER - AUFBAU UND ANWENDUNG

MAGNETIC DOMAIN TIP MEMORIES - CONSTRUCTION AND APPLICATIONS

Hermann DEICHELMANN DASF A ktiengesellschaft, A bt. VME (Entwicklung Magnettechnik), D-6700 Ludwigshafen, Fed. Rep. Germany

Received 5 May 1976, revised version received 14 July 1976

DOnne polykristalline Schichten ferromagnetischer Metallegierungen k6nnen zur Speicherung digitaler Daten verwendet werden. Infolge starker magnetischer Richtungsanisotropie weisen diese Schichten ein ausgepr/igtes Schaltverhalten auf. Unter dem Einfluss lokal begrenzter/iusserer Magnetfelder k6nnen sich magnetische Dom~inen l~ngs kanalartiger Strukturen mit im Vergleich zur Umgebung niedriger Koerzitivfeldstr//rke bewegen. Die gesamte Anordnung verh/ilt sich wie ein magnetisches Schieberegister. Typische Werte der Magnetisierung, der Richtungsanisotropie, der Koerzitivfeldst~irke und der ~iusseren Treiberfeldst~irke werden angegeben. Ausserdem wird eine spezielle Technik der Dom~nenausbreitung in Einzelheiten be- schrieben. Diese Technik bildet die Grundlage zum Aufbau eines Prototyp-Speichersystems.

Merkmale des Systems sind: Datenbest/indigkeit bei Stromausfall, asynchrone Betriebsweise, kurze Zugriffszeit sowie Unempfindlichkeit gegen schwierige Umgebungsbedingungen.

M6gliche Anwendungen: Datensammelsysteme, Programmspeicher zur Werkzeugmaschinensteuerung, Prozessdaten- technik, Arbeitsspeicher ftir Mini- und Microprozessoren.

Zuktinftige M6glichkeiten: Speicherdichte bus zu 3000 Bit/cm 2, maximale Taktfrequenz bis 100 KBit/s.

Thin polycrystalline layers of ferromagnetic alloys may be used as storage media for digital data. A definite switching behaviour is observed due to strong magnetic anisotropy. Magnetic domains are moved along channel-like structures of low magnetic coercivity surrounded by highly coercive material under the influence of locally concentrated magnetic fields. The whole assembly acts like a magnetic shift register. Typical values of magnetization, anisotropy, coercivity, and drive fields are given. A special technique of domain propagation is discussed in detail together with a description of an actually built system whose features include non-volatility, asynchronous mode of operation, fast access, insentitivity to bad environmental conditions.

Possible applications include: data collecting and concentrating systems, machine control, fast peripheral storage devices for process control and ROM~ for mini- and microprocessors. Aspects for near future: storage density 3 × 103 bit/cm 2, max. shift frequency 1 X 10 s bit/s.

1. Einftihrung

Bei den DOT-Speichern (DOmain-Tip-Speicher) wird die M6glichkeit der gesteuerten Erzeugung und Weiterleitung magnetischer Dom//nen in dtinnen ferromagnetischen Schichten zur digitalen Daten- speicherung genutzt. Solche Speicher besitzen eine Reihe von Eigenschaften, die gtinstige Anwendungs- m6glichkeiten auf verschiedenen Spezialgebieten der elektronischen Datenverarbeitung erwarten lassen. Hohe S.peicherkapazit~it, kurze Zugriffszeit und grosse Daten-Ubertragungsgeschwindigkeit in Verbindung

mit dem v611igen Verzicht auf mechanisch bewegliche Teile erm6gliehen den Einsatz yon DOT-Speichern insbesondere auch unter wefiig gtinstigen Umgebungs- bedingungen (Staub, hohe Luftfeuchtigkeit, grosse Temperaturschwankungen). Die kurze Zugriffszeit zu den gespeicherten Informationen wird unter Unst~inden den Einsatz einfacherer Betriebssysteme erm6glichen, ohne die Effektivit~it des Gesamtsystems zu beein- tr/ichtigen.

2. Aufbau des DOT-Speiehers

Die eigentlichen Speicherelemente bestehen aus

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~(3-4) kA/ml b//U n m >7/~I

t . . . . ~(~l'4:=(0,3-0,4)kA/miq'~,\~,(,~(<,~',\',~,7~

GLAS-SUBSTRAT

Abb. 1. Aufbau eines DOT-Speicherelements.

Fig. 1. Cross section of a DOT storage element.

rechteckigen dOnnen Glasplatten von mehreren Zenti- metern Li/nge und Breite, die einseitig zungchst mit einer etwa 30 nm dicken Aluminiumschicht und an- schliessend mit einer rund 120 nm dicken ferromag- netischen Schicht einer Nickel-Eisen-Kobalt Legierung bedampft werden (Abb. 1). Die Zusammensetzung dieser Legierung wird so gew~ihlt, dass ihre Magneto- striktion m6glichst gering ist, z.B. 65Ni/20Co/15Fe [1,21.

Vor dem zweiten Bedampfungsvorgang 5"tzt man aus der Aluminiumschicht ein Muster von "Kan~ilen"

heraus (Abb. 2), auf dessen Grund die blanke Glasober- fl~che erscheint. Die Kan~ile werden anschliessend ebenso wie ihre Umgebung mit der ferromagnetischen Schicht Oberdeckt und erscheinen auf dem fertigen Speicher- substrat als schwach ausgepr~gtes Relief [ 1 ].

W~ihrend des Aufdampfvorganges l~isst man parallel zur Oberfl~che der Glaspl~'ttchen ein homogenes Magnetfeld wirken, das for die Einpr~igung der mag- netischen Vorzugrichtung sorgt. Nach Beendigung des Vorganges ist die Schicht magnetisch anisotrop mit einer Anisotropiefeldst~rke von etwa 2000 A/m (Vergl. [ 1 ]).

Im Bereich der Kan~le, wo die Magnetschicht auf der feuerpolierten Glasoberfl~che aufliegt, betr~'gt ihre Koerzitivfeldst~rke for Wandverschiebung 250 bis 400 A/m, auf der wesentlich rauheren Aluminium- schicht dagegen 3000 bis 5000 A/m (Vergl. [ 1 ]).

Digitale Informationen werden im Bereich der weichmagnetischen Kan~ile in Form magnetischer Dom~inen gespeichert. Diese Dom~nen entstehen an den Einschreibstellen des Kanalmusters durch lokale Ummagnetisierung der zun~chst einheitlich vormag-

Abb. 2. Kanal-Struktur eines Speicherelements.

Fig. 2. Channel structure of a storage substrate.

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!1 HALTELEITER ~ ,~-

~BLOCKIERLEITER H e6sc-t~ i Hproi:," [

Abb. 3. Gesteuerte Dom~/nenausbreitung und schrumpfung.

Fig. 3. Controlled propagation and shrinkage of domains.

netisierten Speicherschicht. Die hierzu erforderlichen Magnetfelder werden mittels stromdurchflossener Leiterschleifen erzeugt, die in unmittelbarer Nachbar- schaft zu den Einschreibstellen angeordnet sind [3].

Abb. 3 (Mitre) zeigt eine station/ire Dom/ine in einem Kanal. Ihre Magnetisierung Mist gegeniaber der Umgebung um 180°gedreht. Wirkt nun ein/iusseres Magnetfeld geeigneter St/irke (gr6sser als Hc) parallel zur Richtung von M, so beginnt die Dom/ine an beiden Enden zu wachsen und wiirde schliesslich das gesamte Kanalmuster erfi~llen, wenn sie nicht durch die lokalen Magnetfelder der beiden "Blockleiter" (rechte Bild- h/ilfte) abgebremst wiirde. Diese Blockleiter werden gleichzeitig derart yon Str6men durchflossen, dass die von ihnen erzeugten Magnetfelder am Ort der Dom~nen- spitzen dem Ausbreitungsfeld entgegenwirken und es so weit schw/ichen, dass die resultierende Feldst/irke den Grenzwert H c unterschreitet.

Wirkt auf die station/ire Dom/ine eine/iussere Feld- st/irke gr6sser als H c entgegengesetzt zu M, so beginnt die Dom/ine an beiden Enden zu schrumpfen und wiirde schliesslich v611ig verschwinden, wenn nicht gleichzeitig rnittels eines stromdurchflossenen "Halte- leiters" das die Schrumpfung verursachende Magnet- feld lokal so geschw/icht wird, dass der resultierende Feldst/irkebetrag kleiner als H c ist. In diesem Bereich bleibt also eine Restdom/ine erhalten (Abb. 3 links).

Die Fortbewegung der magnetischen Dom/inen 1/ings des Kanalmusters beruht nun in Wirklichkeit auf einer Folge yon kontrollierten Ausbreitungs- und Schrumpfungsvorg/ingen der beschriebenen Art [4]. Abb. 4 bis 7 zeigt die sogenannte 4-Phasen-Technik, die insgesamt 5 verschiedene Magnetfelder ben6tigt:

0

,'4

I ..l

Abb. 4. Dom/inen-Verschiebung, Phase 1, Ausdehnung.

Fig. 4. Domain propagation, phase 1 ; elongation.

liLl

Abb. 5. Dom//nen-Verschiebung, Phase 2, Schrumpfung.

Fig. 5. Domain propagation, phase 2: shrinkage.

~ 0

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Abb. 6. Dom~/nen-Verschiebung, Phase 3, Ausbreitung.

Fig. 6. Domain propagation, phase 3: elongation.

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~ 0

2

3

Abb. 7. Dom/inen-Verschiebung, Phase 4, Schrumpfung.

dienen. Da die Induktionssparlnung proportional zu der ~,nderung des Magnetflusses ist, vergr6ssert man vor dem eigentlichen Ausleseworgang die F15"che der abzuftihlenden Dom/inen um das 50- bis 100-fache. Man ordnet zu diesem Zweck die Auslesestellen als relativ grosse, breitfl~ichige Gebilde an, die an den Enden der ,weichmagnetischen Kaniile sitzen und yon den Aufnehmerschleifen umgeben werden. Mit Hilfe dieses Kunstgriffs erh~ilt man Lesespannungen yon mehr als 5 mV bei einem St6rabstand von mindestens 1:10, was ann/ihernd den bei Kernspeichern tiblichen Werten entspricht.

Fig. 7. Domain propagation, phase 4: shrinkage. 3. Speicherdichte

ein globales Ausbreitungsfeld Hp, ein globales L6sch- feld HE, zwei lokale Blockierfelder HB1 und HB2 sowie ein lokales Haltefeld H H. Zu Beginn der Phase A (Abb. 4 links) befindet sich eine Dom~ne im Ruhezustand auf dem Kreuzungsbereich eines Kanals mit einem Halte- leiter. W/ihrend Phase A sind das Ausbreitungsfeld Hp und das Blockerfield HB1 vorhanden. Unter deren Einfluss w/ichst die Dom~'ne beiseitig bis zu den Kreuzungsbereichen des Kanals mit den Blockleitern 1 und 3, wo sie zunS"chst stehen bleibt (Abb. 4 rechts). In der anschliessenden Phase B (Abb. 5) sind das L6schfeld H E und das Haltefeld HIt vorhanden. Da der Halteleiter m~ianderf6rmig den Kanal tiberdeckt, kann die Stromrichtung so gew~ihlt werden, dass die Dom~ine an der mittleren Position (Abb. 5 rechts) gehalten wird, w~hrend sie an allen tibrigen Stellen verschwindet. Praktisch ist sie jetzt um eine halbe M~ianderperiode gegeniiber ihrer alten Stellung ver- schoben.

In den Phasen C und D wiederholen sich die be- schriebenen Prozesse, wobei jetzt anstelle der Block- leiter 1 und 3 die Blockleiter 2 und 4 zusammen mit Hp aktiviert werden und ausserdem die Stromrichtung im Halteleiter umgekehrt ist. Dies bewirkt insgesamt eine weitere Verschiebung der DomS"ne um eine Halbperiode des Halteleiters (Abb. 7 rechts), womit ein voller Speicherzyklus abgelaufen ist und der Vorgang erneut mit Phase A begonnen werden kann.

Nach Durchlaufen der gesamten Kanall~nge er- reichen die Dom~nen den Auslesebereich des Speicher- substrats und erzeugen in dort befindlichen feinen Leiterschleifen Induktionsspannungen, die als Lesesignal

Die Informationsdichte des DOT-Speichers ist in erster Linie durch die Breite der weichmagnetischen Kan~le festgelegt. Wegen der starken Abh~ingigkeit der Streufeldenergie vom Verh~ltnis Dom~inenl~nge: Dom~nenbreite = Dom/inenliinge: Kanalbreite sind theoretisch bei sehr leicht beweglichen Wiinden nur Dom~inen mit einem Achsenverh/iltnis von mindestens 7: 1 stabil, so dass die Entfernung yon einem Speicher- platz zum n~'chsten gleich der 14-fachen Kanalbreite sein sollte. Tats~ichlich werden durch das Vorhanden- sein der Koerzitivfeldst~rke Hco (Grenzwert von H c for unendlich grosse Kanalbreite) die Verh~ltnisse gfinstiger. FOr eine Kanalbreite von 66/am ergibt sich beispielsweise ein Achsenverh~iltnis von nur 3,2, for eine Kanalbreite von 30/am das Achsenverh/iltnis 4,4 (Vergl. [5]).

Diese Resultate best~tigen die praktische Erfahrung, dass ein Speicherplatz vom n~ichst benachbarten mindestens etwa 10 Kanalbreiten entfernt sein muss, um gegenseitige Beeinflussungen zu vermeiden. Anderer seits kann wegen der umgekehrten Proportionalit~it zwischen H c - //co und Kanalbreite [5] die letztere auch nicht beliebig klein gemacht werden, da schliess- lich die zur/~lberwindung von H c notwendige Mindest-

1 stSrke des Ausbreitungsfeldes den Wert 7H K fiber schreiten w~irde. Dies hiitte aber die unknotrollierte Erzeugung neuer Domiinen durch Rotationsschalten und damit eine Verf~lschung des Speicherinhaltes zur Folge.

Aus der Abh/ingigkeit der Koerzitivfeldst~'rke von der Kanalbreite kann die bei DOT-Speichern m6gliche Mindestkanelbreite zu etwa 7/am abgesch~tzt werden.

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Damit liegt auch die h6chste theoretisch erzielbare Speicherdichte fest, wenn man noch berticksichtigt, dass benachbarte Kan/ile einen Mindestabstand von etwa 5 Kanalbreiten haben mfissen, um wechselseitige magnetostatische Beeinflussungen zu vermeiden. Die pro Bit mindestens erforderliche Speicherfl~iche be- tr~gt mit den obigen Werten f = (Mindestentfernung zwischen benachbarten Speicherpl~tzen im gleichen Kanal). (Mindestabstand benachbarter Kan~ile + Kanalbreite), also

f = (10-6/~m) • (6.6,6/~m) = 2,6 • 10 -3 mm 2 ,

die Speicherdichte kann demnach h6chstens gleich

S = 1/ f~ 380 bit/ram 2

gemacht werden.

4. Einsatzbereiche magnetischer Doma'nenspeicher

Zur Zeit sind folgende Typen magnetischer Dom~inen- speicher in Entwicklung bzw. praktischer Erprobung:

ist die Datenbest//ndigkeit fiber l~ingere Zeitr~iume hin- weg sowie die asynchrone Betriebsweise, die es erlaubt, die Geschwindigkeit des Speichers jederzeit den relativ langsamen Arbeitsschritten maschineller Einrichtungen anzupassen. Gegenfiber den seither verwendeten Kern- speichern besteht ein wesentlicher Preisvorteil.

4.3. ~ p 3

Kapazitiit: 2.107 bit. Maximale (fbertragungsgeschwindigkeit: 107 bit/s. Anwendung: Prozessdatentechnik, Prozessteuerung.

Auch bier sind Datenbest~indigkeit bei Stromausfall sowie Umweltunempfindlichkeit entscheidende Ge- sichtspunkte. Wesentlich ist noch die im Vergleich zu mechanischen Speichern (Trommel- und Plattenspeicher) sehr kurze Blockzugriffszeit von nur etwa 15/~s bei gleichzeitig hoher Datenfibertragungsrate.

4 . 1 . ~ p l 5. Ausblick

Kapazitdt: 2.105 bit bis 4.105 bit. Maximale ~oertragungsgeschwindigkeit: 2400 bit/s. Anwendung: Datenerfassung, Datenkonzentratoren.

Die Vorteile gegenfiber bisher gebr~iuchlichen Speichern ergeben sich sowohl aus der M6glichkeit der asynchronen Betriebsweise als auch aus der Un- empfindlichkeit gegenfiber Umwelteinflfissen wie Staub und Temperatur. Als zus/itzl'iches Argument im Vergleich zu Halbleiterspeichern ist die Daten- bestgndigkeit auch bei Stromausfall zu nennen.

4.2. Typ 2

Kapazitiit: 106 bit. Maximale ~rbertragungsgeschwindigkeit: 105 bit/s. Anwendung: Messtechnik, Maschinensteuerung.

Wichtigster Gesichtspunkte bei diesen Anwendungen

Die weitere Entwicklung magnetischer Dom~nen- speicher wird hauptsgchlich mit folgenden Zielsetzungen verfolgt:

5.1. ErhOhung der Speieherdiehte

Die Speicherdichte heutiger Dom//nenspeicher ist mit etwa 300 bit/cm 2 noch relativ'gering. Die theore- tische Grenze liegt etwa 100 mal h6her, weshalb Untersuchungen in dieser Richtung viel Aussichten auf Erfolgt bieten. Voraussetzung dazu ist eine Ver- besserung der Herstellverfahren komplexer Photo- masken ffir Kanalstrukturen und Kontrolleitersysteme sowie die Weiterentwicklung der Fein~tztechnik gr6sserer Flachen. Aus heutiger Sicht erscheinen Speicherdichten yon 3000 bit/cm 2 durchaus realistisch.

5.2. ErhOhung der Arbeitsgeschwindigkeit

Die interne Datengeschwindigkeit von Domfinen- speichern ist durch die Schiebefrequenz der magnetischen Bereiche festgelegt und betr~igt zur Zeit etwa 3" 104 bit/s. Geht man vonder physikalisch gemessenen Wandge-

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schwindigkeit (Gr6ssenordnung 1 mm//as) [2] aus, so kommt man unter Berticksichtigung der linearen geometrischen Abmessungen der Kanalstrukturen von einigen mm zu theoretischen Taktfrequenzen der Gr6ssenordnung 3.10 5 biffs. Die wirkliche Obergrenze wird heute allein durch elektrische Vorg~inge in den Kontrolleitersystemen festgelegt, wobei deren Blind- impedanzen besondere Bedeutung zukommt. Eine Verbesserung ist m6glich durch geometrische Ver- kleinerung der Knotrolleitersysteme und damit der Speichersubstrate, durch zweckm~issigeren Aufbau sowie schliesslich durch Verringerung der zur Domgnen- bewegung erforderlichen ~'usseren Magnetfelder. Ins- besondere die letzte Massnahme erscheint sehr vielver-

sprechend, ist es doch bereits heute gelungen, in magnetisch gekoppelten Mehrfachschichten Koerzitiv- feldstiirken von weniger ats 50 A/m zu erreichen, was gegen~iber den zur Zeit gebr~uchlichen Schichten eine Verkleinerung um das 5-fache bedeutet.

Literatttr

[1] R.J. Spain und H.J. Jauvtis, J. Appl. Phys. 37 (1966) 2548. [2] R. Spain und M. Marino, IEEE Trans. MAG-6 (1970) 451. [3] R.W. Forsberg, EDN (1969) 18. [4] R.J. Spain, J.l. Jauvtis und F.T. Duben: AFIPS Conf. Proc.

43 (1974) 841. [5] R.J. Spain, J. Appl. Phys. 37 (1966) 2572.