Melden Sie sich hier an, um auf Kommentare und die Whitepaper-Datenbank zugreifen zu können.

Kein Log-In? Dann jetzt kostenlos registrieren.

Falls Sie Ihr Passwort vergessen haben, können Sie es hier per E-Mail anfordern.

Der Zugang zur Reseller Only!-Community ist registrierten Fachhändlern, Systemhäusern und Dienstleistern vorbehalten.

Registrieren Sie sich hier, um Zugang zu diesem Bereich zu beantragen. Die Freigabe Ihres Zugangs erfolgt nach Prüfung Ihrer Anmeldung durch die Redaktion.

31.08.1979 - 

IBM zeigt sich von forschungsintensiver Seite:

Mikrometer-Blasen blasen Speicherkapazität auf

STUTTGART (pi) - Vier Millionen Bit auf einem Quadratzentimeter - das ist der Stand der Blasenspeichertechnik der IBM. Doch schon zeichnet sich ab, daß 16 Millionen Bit je Quadratzentimeter erreichbar sind. Ausführlich berichtet der Marktführer über seine Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet:

Wissenschaftler des Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights,

N. Y., und des IBM Research Laboratory in San José, Kalifornien, haben im März dieses Jahres zwei neuartige Magnetblasenspeicher als Labormodelle vorgestellt. In Yorktown Heights wurde ein Magnetblasenspeicher entwickelt, bei dem der Blasendurchmesser nur noch einen Mikrometer betragt gegenüber zwei oder drei Mikrometern in derzeit bekannten Blasenspeichern. Das ergibt eine Speicherdichte von 4 Millionen Informationsbits je Quadratzentimeter. Ebenfalls bis zu 4 Millionen Bit je Quadratzentimeter können in dem in San José entwickelten Magnetblasenspeicher untergebracht werden.

Magnetblasenspeicher sind winzige zylindrische Bereiche, die in einer Dünnfilmschicht senkrecht zur Schichtebene durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes gebildet werden. Ihre Magnetisierungsachse ist dem angelegten Magnetfeld entgegengesetzt. Von ihrer Umgebung wird die Magnetblase durch eine zylindrische Domänenwand in der die Magnetisierung um 180 Grad dreht, getrennt. Betrachtet man die Zylinder von oben durch ein Spezialmikroskop, so haben sie eine kreisförmige Gestalt und scheinen sich wie Blasen auf der Oberfläche einer Flüssigkeit zu bewegen. Daher nennt man sie Magnetblasen.

In einem Magnetblasenspeicher stellt die Anwesenheit einer Blase auf einem bestimmten Platz eine binäre "1", die Abwesenheit eine "0" dar. Der Transport von Magnetblasen beruht auf dem Prinzip, daß sich die Blasen bewegen, wenn inhomogene Felder angelegt werden. Diese Felder lassen sich durch weichmagnetische Schaltkreise (Permalloy) herstellen. Sie werden auf den dünnen Film aufgedampft und durch ein äußeres Steuerfeld magnetisiert.

Das Muster der weichmagnetischen Schichten und die Richtung des äußeren Steuerfeldes bestimmen dann den Weg der Blasen. Die Permalloy-Schicht wird in einem bestimmten Muster aufgebracht, beispielsweise in Formen, die wie die Buchstaben "T" aussehen (T-Bars), wie Halbmonde (C-Bars) oder wie Unteroffizierswinkel (Chevrons). Ziel aller Muster-Verbesserungen ist es, die Abmessungen der Blasen verkleinern und damit die Kapazität erhöhen zu können.

Das Grundmaterial für ein Magnetblasen-Chip ist schichtweise angeordneter Granat. Die Trägerschicht besteht aus nichtmagnetischem Granat. Darauf läßt man eine zweite, dünne Schicht in Epitaxie-Verfahren aufwachsen, deren Dicke etwa einen Mikrometer, also etwa ein Fünfzigstel des menschlichen Haardurchmessers beträgt. Beide Schichten bestehen aus Granat, enthalten aber unterschiedliche chemische Zusatzelemente. So ist beispielsweise in der dünnen Epitaxialschicht Eisen, das die magnetischen Eigenschaften bestimmt. Die Trägerschicht enthält kein Eisen.

Da sich die Blasen in den bisher üblichen Speichern unterhalb des aufgedampften Permalloy-Musters bewegen, darf die maximale Breite des Musters nur einen Bruchteil des Blasendurchmessers betragen, üblicherweise die Hälfte bis ein Drittel. Die Distanz zwischen den Musterelementen, die die Blasen bei ihrer Fortbewegung überspringen müssen, ist ebenfalls kritisch, da sich die Blasen bei zu geringen Abständen gegenseitig beeinflussen können.

Diese Bedingungen würden für Ein-Mikrometer-Blasen in konventionellen Anordnungen ein Permalloy-Muster erfordern, das in seinen Abmessungen kleiner als ein Mikrometer ist. Diese Dimensionen liegen jedoch außerhalb der Möglichkeiten der optischen Lithographie, weil die erforderlichen Abmessungen an die Wellenlänge des Lichtes selbst herankommen.

Mit der Scheibchenketten-Struktur (contiguous disk) haben die Wissenschaftler nun einen Weg gefunden, bei dem sich die Blasen entlang den Rändern eines Musters bewegen und nicht unter ihnen. Damit können die Minimalabmessungen der Bahn wesentlich größer sein als die Blase. Zum Beispiel werden bei der Scheibchenketten-Struktur für Ein-Mikrometer-Blasen Musterwege verwendet, die an ihren engsten Stellen Abmessungen von zwei Mikrometern haben.

Um die Blasen dazu zu bringen, sich entlang der Musterränder zu bewegen, nutzen die Wissenschaftler ein physikalisches Phänomen, die "magnetische Wand" (charged wall). Dazu wird auf die übliche zweilagige Granat-Schicht eine dritte, nur 0,4 Mikrometer dicke Lage im Epitaxie-Verfahren aufgebracht, auf die später die Permalloy-Muster aufgedampft werden. Beide Epitaxialschichten haben magnetische Eigenschaften, doch enthält die dünnere oberste Schicht Gadolinium, während die mittlere Schicht Europium enthält. In dem Europium enthaltenden Film können sich Magnetblasen relativ leicht bilden, und sie bleiben stabil, wenn sie einmal vorhanden sind. Das trifft auf die Gadolinium enthaltende Schicht nicht zu.

Ionen-Implantation

Die Wissenschaftler fanden heraus, daß sie die Fähigkeit der Gadolinium enthaltenden Schicht, Blasen zu bilden aufspalten können, wenn sie diese Schicht mit Helium-Ionen beschießen. Die Ionen-Implantation ändert die Achse der Magnetisierung in der obersten Schicht von senkrecht zu parallel zur Ebene des Granatfilms. Da dieses jedoch die gleiche Richtung ist, in der das externe Feld angelegt wird, bilden sich dort, wo diese parallele Magnetisierung herrscht, keine Blasen. Während des Implantationsprozesses ändern die Helium-Ionen die magnetischen Eigenschaften der obersten Schicht, aber nicht die der mittleren Schicht, so daß die Magnetblasen bildende Eigenschaft der zweiten Schicht nicht beeinträchtigt wird.

Die Schaltkreismuster, die auf die oberste Schicht noch vor der lonen-Implantation aufgebracht werden, sind aus Gold. Gold ist ein Metall, daß Helium-Ionen absorbiert. Deshalb findet die Änderung in der Magnetisierungsachse, die durch den Ionenbeschuß in der obersten Schicht bewirkt wird, nicht in den Bereichen statt, die von Gold bedeckt sind. Sie behalten ihre senkrechte Magnetisierungsachse. Damit können die Transportwege, denen die Blasen folgen, gebildet werden.

Wenn ein externes Feld in Richtung der Granat-Oberfläche angelegt wird, läuft ein interessanter Vorgang ab: dünne Linien von magnetischen Polen oder Ladungen - magnetische Wände - werden gebildet. Jede "Wand" steht senkrecht zum Transportpfad und ist etwas länger als ein Blasendurchmesser.

Magnetwand-Haken

Für die Blasen verhalten sich die magnetischen Wände wie herunterhängende Haken, an welche sie sich anhängen. Wenn das parallele Magnetfeld sich dreht, bewegen sich diese Wände entlang dem Pfad und nehmen die Blasen mit sich. Jede magnetische Wand kann eine Blase befördern; ob eine Magnetblase transportiert wird oder nicht entscheidet, ob eine Null oder eine Eins gezählt wird.

Der Ausdruck "Scheibchenketten" leitet sich vom Aussehen der Muster ab, die ursprünglich mit überlappenden Goldplättchen hergestellt wurden. Die Blasen bewegen sich entlang der Kanten der Hügel und Täler, die durch das Muster gebildet werden. Betrachtet man die Muster von oben durch ein Mikroskop, so haben sie ein Aussehen wie Sägezähne. Es gibt keine Lücken in dem Muster. Diese fortlaufende Lösung bedeutet, daß die Blasen nicht von einem Element des Musters zum nächsten springen müssen.

Die Implantation mit Helium-Ionen ist dauerhaft. Wenn das Goldmuster seinen Zweck, die Helium-lonen abzuhalten, erfüllt hat, könnte es wieder entfernt werden. Doch hat man bei IBM eine neue Konzeption des Designs gefunden, bei der das Gold nicht entfernt wird. Man benutzt durch eine bestimmte Auslegung des Designs die Goldleitungen, um die elektrischen Steuerströme zu transportieren. Damit ergibt sich eine geringere Anzahl von Fertigungsschritten gegenüber derzeitigen Lösungen.

Dieses Design löst außerdem ein anderes Problem, das bei der Herstellung konventioneller Magnetblasenspeicher auftritt: das genaue Justieren zwischen den Stromsteuerleitungen und den Pfaden, auf welchen die Blasen transportiert werden. Im IBM-Scheibchenketten-Chip werden die stromführenden Leitungen automatisch auf die Transport-Struktur abgestimmt, weil die Leitungen in erster Linie dazu benutzt werden, diese Struktur zu erzeugen. Aus diesem Grund spricht man auch von "selbstjustierenden" Magnetblasenspeichern.

Um große Speichereinheiten zu bauen, sind hohe Speicherdichten erforderlich, wie sie beispielsweise mit den Ein-Mikrometer-Magnetblasen (vier Millionen Bit je Quadratzentimeter) erreicht werden können. Der in Yorktown Heights entwickelte und getestete Versuchsspeicher mit Scheibchenketten-Struktur hat eine Kapazität von 2000 Bit.

Die ersten Versuche mit der Ein-Mikrometer-Technologie haben ergeben, daß diese Speicher maßstäblich so verkleinert werden können, daß Blasen mit einem Durchmesser von einem halben Mikrometer entstehen. Damit ließe sich die Speicherdichte auf 16 Millionen Bit je Qudratzentimeter steigern.

Multitype -Blasenspeicher

Im IBM-Forschungslaboratorium San José wurde eine experimentelle arbeitsfähige Speichereinheit mit einer Kapazität von 15 000 Bit hergestellt und getestet, mit der sich Speicherdichten von bis zu vier Millionen Bit je Quadratzentimeter mit konventionellen Methoden erreichen lassen.

Wie in konventionellen Einheiten bestehen die Muster der Schaltkreise auf der Oberfläche der Speicher aus Schleifen mikroskopisch feiner Permalloy-Elemente in Chevron-Gestalt. Die Magnetblasen bewegen sich unter den Chevron-Elementen von einem Chevron-Arm zum nächsten und bilden damit Ströme von kontinuierlich zirkulierenden Blasen.

Das Design des neuen Speichers unterscheidet sich von konventionellen Speichern in zwei Punkten:

1. Die Chevron-Elemente sind nur noch halb so groß und halb so breit wie die üblicherweise benutzten; deshalb lassen sich viermal so viele in gleichen Bereichen unterbringen. Da die Zwischenräume zwischen benachbarten Chevrons die gleichen geblieben sind, kann der Herstellungsprozeß im wesentlichen gleich bleiben.

2. Spezielle Codier- und Decodierstationen wurden hinzugefügt, so daß zwei verschiedene Typen von Blasen gebildet und voneinander unterschieden werden können.

Der zweite Punkt ist für höhere Speicherkapazitäten entscheidend. Bisher übliche Blasenspeicher verwenden Blasen, die sich physikalisch nicht voneinander unterscheiden lassen. In diesen Speichern wird die Information durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Blase an einem bestimmten Speicherplatz dargestellt (jeder Arm eines Chevron-Elementes wird als Speicherplatz betrachtet).

Leerstellen-Beschränkung

Wenn ein konventioneller Blasenspeicher mit Information geladen wird, bleiben die Plätze dort leer, wo "0" in der Information steht. Diese verteilten Leerstellen in einer Blasenspeicheranordnung bedeuten eine erhebliche Besir-mg ds Spe~edid". Da die zyliM~schffl B1Mffl ~d gZereitig abstoßen, Sssen sie i_r in einem Mstand von vier bis hf BlaseMumhmessem voneinanir ~tS gRalten werden, weil sie sid sonst _eitig in die leren ZStze der Spei_amri_ i6_ und daSt de iK pspieheten Infonationen "O" zat6~n *E.

Ein w, u diese ösiräS_ zu übmind" ist de > von vei untHidid~ BlaseS~. Dann Enn die Ido_tim als Unt@schied in den Blas~ fl und nicht durch die _e_eit ~r AWes~heit von Blawn dar~tit wien.

Damit wird es 60i~, die IConfion" in einer ich Xaiten _rdnux unte Wdcht auf 1ww Z5Ae mtszUri*. Der gstaM M Masw lSt sid bis auf mi Bl3seniömewer ve_m, die I<o~onsdichte krd vesierbcht.

Die zwei MaFeXlas~ten mterscheiden sich irch ie StmEtur der die

Bl;kje umgebenden DoXnenwand. Diese mterschidich~ mvetisien StzktuRn beiX, iß ie Blasffl in Fm _ Wd i _i~nen Richun~ aüit win, wm sie zur Dwodientation ~la_. die "l"-BlÄse Fla~ dam zum M"C 1, i de .O"-Blase zu einem aMeen DeL tektor.

Fniveml-=ion

E)er Vauisspeiier ude auf ei_ i h_ ste]lt, ir ie El_Se amu Sa>Hu, Caiz _ _ ~ Der Spei&e vew ier Se Sionen hr das L~en, Sckikn ui S>ichem von Daten. Tsts haben pzeB, daß ie venchid~ Zu~aMe de BhsenwAnde uSe nowlt Aitsiio _ vollEnen atabil sind.

De weicher vemZ ~sen St einem kietE wn 2,7 ~hMet=. Der hstai _scO dO ~ntChw>r betSv I,4 MbOr. Die hrst~_ ehlgt St kotenti~llffl

lithopphisch~ T ik<.