Элементы магнитных СБИС постоянных запоминающих устройств

Магнитные свойства тонких пленок можно использовать для запо­минания и обработки информации. В связи с этим в магнитоэлектронике возникло отдельное направление — магнитные интегральные микро­схемы, главным практическим результатом которого явилось созда­ние СБИС ПЗУ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). По­следние используются как носители информации. Цилиндрические маг­нитные домены появляются в тонких эпитаксиальных пленках специ­альных материалов — гранатов, имеющих химическую формулу типа R₃Fe₅ О₁₂, где R — редкоземельный элемент (У, Cd и др.). Информа­ционная емкость СБИС определяется диаметром ЦМД (порядка 1 мкм) и составляет 4...16Мбит. Микросхемы характеризуются последова­тельной выборкой информации с временем выборки около Юме.

Магнитные СБИС целесообразно использовать во внешних ЗУ микроЭВМ вместо накопителей на магнитных дисках (НМД) либо в ка­честве промежуточных (буферных) ЗУ между внешней памятью ЭВМ и ОЗУ. По сравнению с НМД достигается резкое повышение надеж­ности (вследствие исключения электромеханических устройств) и быстродействия, но информационная емкость одной СБИС значитель­но меньше, чем НМД. Использование в качестве носителя информации не ЦМД а гораздо более мелких объектов — вертикальных блоховских линий (см. ниже) открывает перспективы значительного повыше­ния степени интеграции.

Цилиндрические магнитные домены и их свойства. Эпитаксиальная пленка граната обладает свойством магнитной анизотропии: в ней существуют ось легкого намагничивания, перпендикулярная по­верхности, и ось тяжелого намагничивания, параллельная поверх­ности. При малой толщине пленки (порядка нескольких микрометров) находящиеся в ней магнитные домены занимают все поперечное сече­ние пленки, а их векторы намагниченности перпендикулярны поверх­ности.

При отсутствии внешнего магнитного поля домены имеют форму по­лос (рис. 66, а) С противо-положны­ми направлениями вектора намагни­ченности, так что в целом намагни­ченность пленки равна нулю. Если приложить внешнее магнитное поле Н, перпендикулярное поверхности, то пленка перемагничивается и стенки доменов смещаются. В результате домены с намагниченностью в на­
правлении Н увеличиваются, а с противоположной намагниченностью —уменьшаются. При Н > Н _мин домены становятся цилиндрическими (рис. 66, б), причем с ростом Н их диаметры уменьшаются.

Рис. 66.

При Н > Н _мвмо ЦМД скачком исче­зают — коллапсируют, после чего пленка находится в состоянии насыщения и как бы заполнена одним большим доменом с намагни­ченностью в направлении Н. Таким образом, для существования ЦМД необходимо иметь постоянное внешнее магнитное поле с на­пряженностью от Н_мин до Н _макс — поле смещения. Оно составляет 2000...3000 А/м и создается постоянным магнитом, расположенным внутри корпуса СБИС.

Если при наличии поля смещения к участку пленки с намагничен­ностью в направлении Н_см приложить кратковременно внешнее поле противоположного направления (Н > Н _ст), то в этом месте образует­ся ЦМД. Величина Н _ст называется полем старта.

Диаметр ЦМД зависит от материала и толщины пленки. Сущест­вует оптимальная толщина h, обеспечивающая минимальный диа­метр d_мин ≈ h; достигается d_мин ≈ 0,3 мкм.

В неоднородном (градиентном) поле смещения ЦМД движется в сторону убывания Н, при этом его диаметр возрастает. Движение может происходить лишь при достаточно большом градиенте поля: ׀grad Н ׀> H₀/ d, где Н _о = 10...100 А/м. Максимальное расстояние, на которое может переместиться домен, сохраняя цилиндрическую форму, определяется величинами Н _мнн, Н _макс и Н₀, и равно (10... 100) d _мин. Скорость невысока (порядка 10³ см/с), что является одной из причин низкого быстродействия.

Один домен можно разделить на два, если на участке поверхности, проходящем через поперечное сечение домена, магнитное поле будет больше Н _мякс (поля коллапса). Для этого используется проводник в форме петли, проходящий над доменом (рис. 67, а). Если подать импульс тока, увеличивающий напряженность магнитного поля внут­ри петли, то домен разрушится (под петлей возникнет домен противо­положной намагниченности). Произойдет расщепление ЦМД, после которого каждая «половина» примет цилиндрическую форму прежнего диаметра, определяемого полем смещения (рис. 67,б). Между со­седними ЦМД существуют магнитостатические силы отталкивания.

ЦМД-регистры. В микросхемах необходима фиксация положения ЦМД, соответствующего элементу памяти. Наличие ЦМД на этой по­зиции можно отождествить с хранением лог. 1, а отсутствие— с хра­нением лог. 0. Фиксация осуществляется с помощью магнитостатических ловушек — областей с пониженным значением потенциальной энергии домена (потенциальных ям).

Наиболее распространены ловушки, представляющие собой тон­кие (десятые доли микрометра) пермаллоевые пленки (аппликации), нанесенные на поверхность. Пермаллой является магнитомягким ферромагнитным материалом, содержащим 80% Ni и 20% Fe. В об­ласти под плёнкой магнитное поле смещения ослаблено, кроме того, пленка создает наилучшие условия для замыкания магнитного пото­ка домена, благодаря чему домен притягивается к ней (подобно тому, как магнит притягивается к железу).

Рис.67 Рис.68

Для того чтобы вывести домен из ловушки, надо затратить энер­гию, определяемую глубиной потенциальной ямы. В случае, когда пермаллоевая пленка имеет несимметричную форму, эта энергия за­висит от направления, в котором осуществляется вывод (отрыв) до­мена. Например, для ловушки треугольной формы легче осуществить отрыв вправо, чем влево (рис. 68 а: 1 — пермаллоевая пленка; 2— находящийся под ней ЦМД; 3 — направление «легкого» отрыва). Ловушка может быть получена также с помощью проводника в фор­ме петли, через который протекает ток, создающий магнитное поле противоположного направления по отношению к нолю смещения (рис. 68,б).

Ряд ловушек, расположенных близко друг к другу (на расстоянии меньше диаметра домена), образуют регистр. Цилиндрические маг­нитные домены можно перемещать (продвигать) из одной ловушки в другую (соседнюю), осуществляя таким образом сдвиг информации в регистре. Предложено множество различных конфигураций лову­шек (пермаллоевых аппликаций), от которых зависят параметры ре­гистров. Основным методом продвижения ЦМД вдоль регистра явля­ется применение вращающегося магнитного поля, вектор напряжен­ности Ни которого направлен параллельно поверхности.

На рис. 69 показано положение ЦМД в регистре с аппликация­ми в виде шевронов в разных фазах вращающегося поля. Под его влия­нием в пермаллоевых пленках образуются магнитные полюса (N — се­верный, S — южный) и обусловленные ими дополнительные поля, имеющие вертикальную составляющую вектора напряженности, скла­дывающуюся или вычитающуюся из поля смещения. В фазе 1 север­ный полюс находится у верхней границы шевронов, вертикальная со­ставляющая напряженности поля там минимальна и соответственно там располагается ЦМД (северный полюс как бы притягивает ЦМД). В фазе 2 северный полюс и ЦМД смещаются к правой границе шеврона. В фазе 3 северный полюс находится как у левой, так и у правой гра­ницы, поэтому ЦМД занимает положение на границе двух ловушек, после чего (фаза 4) он переходит в соседнюю ловушку и в фазе 5, т. е. через один период вращающегося поля, занимает положение у верхней границы соседней ловушки. Время сдвига на один разряд регистра равно периоду вращающегося поля.

Рис.69.

При симметричной структуре ловушек, показанной на рис. 69, возможно движение доменов в обоих направлениях в зависимости от направления вращения вектора И,_т. В несимметричных структурах (рис. 70), получивших более широкое распространение, существу­ет только одностороннее продвижение, но допустимы большие зазора (до 0,7rf) между ловушками, а также большие интервалы допустимых значений И_сн, что обеспечивает лучшую устойчивость работы. Ти­пичная частота вращения поля Ни составляет 100 кГц, а его напря­женность — 2000...4000 А/м.

Поле создается парой катушек, намотанных вокруг кристалла а двух взаимно перпендикулярных направлениях, в которые подается ток, изменяющийся по гармоническому закону с указанной частотой и амплитудой порядка 100 мА. Повышение частоты и ускорение продви­жения доменов ограничены большими индуктивностью катушек и рассеиваемой мощностью из-за потерь вследствие скин-эффекта в обмотках и вихревых токов в проводящих деталях корпуса.

Рис.70

Для записи информации в регистр применяют устройство, содержащее шеврон и проходящий между ним и кристаллом токовый контур (рис. 71). Подавая в него ток, создающий магнитное поле про­тивоположного направления по отношению к полю смещения, напряженность которо­го больше напряженности поля старта,

Рис. 71 Рис. 72

можно генерировать домен, если необходимо записать лог. 1. Однако требует­ся слишком большой ток, и практически применяется не генерация, а деление домена

Исходный домен формируется в устройстве ввода перед началом работы мощ­ным импульсом тока. В фазе 1 (см. рис. 71) он располагается вверху шеврона и при подаче тока в контур делится, В фазе 2 домен, образовавшийся справа от контура, смещается вниз под действием вращающегося магнитного поля (при­тягиваясь к северному полюсу), а домен образовавшийся слева, остается ня месте, так как его движению препятствует магнитное поле контура. В следую­щих фазах правый домен переходит в регистр, и ток можно выключить. Так про­исходит ввод лог. 1.

Для ввода лог. 0 ток и контур следует подать в фазе 4, предшествующей фа­зе 1 (рис. 72), сохраняя его в фазах 1 в 2. Тогда в фазе 1 под контуром с то­ком домен отсутствует, деления не происходит, а в фазе 2 в правой части уст­ройства ввода домена также нет.

Для считывания информации применяют устройство, основанное на магни-торезистивном эффекте. Он заключается в изменении сопротивления пермаллоевой пленки (магниторезистиеного датчика) при изменении магнитного поля, вызванного поступлением домена с выхода регистра в устройство считывания. Так как поле домена слабое, то сигнал, возникающий на выходе; мал (единицы милливольт) и необходимы усилители считывания, являющиеся внешними по отношению к кристаллу схемами.

Кристалл СБИС (рис. 73) содержит N -разрядные входной и выходной регистры (Рг_вх, Pгвых) с устройствами записи (ЗАП) и считывания (СЧ) на входе и выходе и JV регистров хранения по а разрядов каждый (Рг1,.... РгN). Во избежание потерь информации при сдвигах они делаются кольцевыми. В ре­жиме обращения информация циркулирует по этим регистрам, как показано стрелкой. В режиме записи во входной регистр последовательно вводится (ука­зано стрелкой) N -разрядное число. Затем оно передается в регистры хранения (каждый разряд в свой регистр). При считывании сначала происходит передача информации из регистров хранения в выходной, после чего из него последова­тельно выводится получившееся там двоичное число.

Помимо кристалла СБИС памяти ЗУ содержит микросхемы усилителей счи­тывания, формирователей импульсных токов, управления, синхронизации и др. Примером являются микросхемы серии К1602РЦ2А.

Вертикальные блоховские линии как носители информации. Прин­ципиальным фактором, ограничивающим повышение информационной емкости, является магнитостатическое взаимодействие между ЦМД. Для этого расстояния между ЦМД в соседних элементах памяти долж­ны быть не менее 4 d. Независимо от типа продвигающих структур пло­щадь элемента памяти получается не менее 16d³. Например, при d =1 мкм на кристалле площадью 50 мм^а можно получить СБИС с информационной емкостью не более 4 Мбит, что достижимо и в тран­зисторных СБИС памяти динамического типа с произвольной выбор­кой. Дальнейшее повышение информационной емкости связано с от­казом от использования ЦМД как носителя информации.

В 1983 г. была показана возможность кодирования информации с помощью более мелких объектов — пар вертикальных блоховских ли­ний (ВБЛ), заключенных в доменной границе (ДГ). Она представляет собой переходный слой, где вектор намагниченности M изменяет свое направление на противоположное (в центральной части ДГ он гори­зонтальный). В зависимости от направления M в разных участках центральной части доменная граница может иметь различные струк­туры.

На рис. 74, а показано поперечное сечение полосового домена с простейшей структурой ДГ, в которой М всюду параллелен границе. На рис. 74, б ДГ имеет более сложную структуру: в ней содержатся два участка (1 и 2), где векторы М параллельны границе, но направ­лены противоположно (сегменты Блоха). Между ними существуют пере­ходные слои, в центральной части которых вектор намагниченности пер­пендикулярен границе. Они проходят перпендикулярно поверхно­сти и представляют собой ВБЛ. В доменной границе может сущест­вовать только четное число ВБЛ. Две ВБЛ, показанные на рис. 74, 6, называются однополярными, в них векторы М направлены противоположно по отношению к центру домена.

Рис. 73 Pис. 74

Рис. 75

На рис. 74, в показана пара разнаполярных ВБЛ.

Вертикальные блоховские линии могут передвигаться вдоль ДГ. При сближении меж­ду ними возникают силы обмен­ного взаимодействия, которые отталкивают однополярные и притягивают разпополярные ВБЛ, в результате чего происходит их аннигиляция и ДГ приобретает про­стейшую структуру (см, рис. 74, а). Поэтому устойчивыми яв­ляются только пары однополярных ВБЛ. Они и используются как носители информации.

Наличие пары ВБЛ в определенном месте ДГ соответствует хране­нию лог. 1, а отсутствие — хранению лог. 0 (рис. 75). Таким об­разом, длинный полосовой домен является регистром, хранящим боль­шое число бит информации. Минимальное расстояние L между сосед­ними парами ВБЛ, т. е. минимальная длина элемента памяти, опре­деляется отталкиванием однополярных ВБЛ и составляет около 0,2d, где d — ширина домена (порядка диаметра ЦМД). В результате площадь, приходящаяся на элемент памяти, примерно 0,2d², что почти что почти в 100 раз меньше, чем в схемах на ЦМД.

Для фиксации положения ВБЛ необходимо создать периодический магнитный рельеф вдоль полосового домена, что достигается форми­рованием в эпитаксиальной пленке областей в форме узких полосок, перпендикулярных направлению полосового домена, получаемых ме­тодом ионного легирования (например, Ne). На границе этих областей возникают механические напряжения и вследствие явления магнитострикции — дополнительное магнитное поле, фиксирующее ВБЛ. Возможно формирование магнитного рельефа с помощью травления неглубоких канавок в эпитаксиальной пленке, а также нанесения на ее поверхность полосок магнитного или немагнитного металлического материала (Сг, Аu). Аналогичными методами можно фиксировать и положение самого полосового домена (регистра) на кристалле. Мини­мальная площадь, приходящаяся на элементарную ячейку памяти, бу­дет определяться разрешающей способностью применяемой литогра­фии.

Продвижение ВБЛ вдоль ДГ осуществляется под действием им­пульса поля подмагничивания, направленного перпендикулярно поверхности. Подбирая амплитуду и длительность импульса, можно