Brevet FR2608304A2 — publié le 19880617

FR 2608304 A2 19880617 FR 8617580 A 19861216 i DisDositif de mémorisation & bulles!aanétiaues L'invention concerne les dispositifs de mémori- sation & bulles magnétiques, utilisables notamment pour stocker et récupérer des données. Elle concerne plus particulièrement des dispositifs utilisant des bulles de très faible diamètre (par exemple 0,7 & 1,3 microns) permettant d'augmenter la densité de stockage et de constituer des mémoires de grande capacité. Les mémoires & bulles ont une constitution de base bien-connue. Elles comoortent un substrat (généra- lement en grenat magnétique ayant une couche superfi- cielle implantée de stockage des bulles). Cette couche -est recouverte d'isolant (oxyde de silicium en général) -qui porte, dans une zone de lecture. des éléments de détection en un matériau magnéto-résistif. Ces éléments sont surmontés d'une nouvelle couche isolante qui porte des motifs de propagation des bulles, constitués en matériaux & grande perméabilité magnétique. Les motifs sont' en général réalisés en alliage fer-nickel par photo-lithogravure et sont épais (pratiquement 300 à 400 nanomètres d'épaisseur). L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de mémorisation à bulles magnétiques du type comprenant une zone de lecture ayant des éléments de détection minces surmontés d'une couche isolante qui porte des motifs épais de propagation des bulles, en matériau à perméabilité magnétique élevée, et une zone d'allongement des bulles comprenant également des motifs épais de propagation de forme telle que le champ tour- nant du dispositif fasse progresser les bulles le long des motifs. La demande de brevet 86 01578 utilise le fait qu'il est nécessaire de prévoir pour la détection, sur le dispositif, une couche occupée par des éléments min- ces en matériau magnétique et elle décrit et revendique un dispositif de mémorisation qui comporte, dans la zone d'allongement, des éléments localisés minces en matériau à perméabilité magnétique élevée, dont l'emplacement est tel qu'ils coopèrent avec les motifs pour que le puits de potentiel créé par le champ tournant du dispositif conserve une profondeur aussi constante que possible au cours de son déplacement le long des motifs. Du fait que les éléments localisés sont très minces, on peut sans difficulté les réaliser par photo- lithogravure et leur donner une faible largeur, pour laquelle ils se magnétisent même pour une valeur faible du champ tournant. Il suffit donc qu'ils aient une lon- gueur faible. L'adjonction de ces éléments localisés ne complique pas la fabrication du dispositif, car ils sont placés au niveau o sont déposés des éléments qui sont de toute façon indispensables dans la zone de lecture. La présente invention vise à fournir un dispo- sitif de mémorisation à bulles magnétiques répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce que les opérations qui inter- viennent dans les différentes zones portant des motifs épais sont facilitées. Dans ce but elle propose un dispositif du genre ci-dessus défini, dans lequel des éléments localisés en matériau magnétique à perméabilité élevée, d'épaisseur beaucoup plus faible que celle des motifs, réalisables par photolithogravure et places au même niveau que les éléments minces de détection, sont disposés dans au moins une zone autre que la zone d'allongement pour faciliter les opérations qui y interviennent. Dans un premier mode de mise en oeuvre de l'in- vention chaque élément de détection mince est constitué d'une bande munie de barbes constituant chacune une branche de chevron, débordant des motifs épais associés à l'élément de détection vers les motifs épais adjacents et d'inclinaison tendant à favoriser la propagation des bulles sous l'action du champ tournant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réa- lisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est un schéma de principe qui montre la constitution générale d'un dispositif de mémorisation à bulles de faible diamètre; - la Figure 2 est une vue en élévation, sur laquelle l'échelle n'est pas respectée, montrant une constitution fréquemment utilisée pour la zone de lecture d'un dispositif de mémorisation du genre montré en Figure 1; - la figure 3 montre schématiquement la modifi- cation des éléments de détection de la figure 2, suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention; - les figures 4A et 4B montrent schématiquement une constitution classique de zone de détection (figure 4A) et une constitution suivant l'invention (figure 4B); - la figure 5 montre le déplacement des bulles en fonction de l'angle a du champ tournant dans une con- figuration suivant la figure 4B; - la figure 6 montre l'adjonction d'éléments minces dans la zone de propagation; - la figure 7 montre une configuration classique d'écriture de bulles par nucléation; - la figure 8 est une vue en coupe suivant la ligne VIII de la figure 7 montrant l'adjonction d'élé- ments minces; - la figure 9 montre une zone de stockage à boucles repliées; - la figure 10 montre la zone de transition entre un registre défini par implantation d'ions et un registre défini par des chevrons de Fe-Ni épais. Le dispositif de mémorisation dont la figure 1 montre une constitution générale est classique: il comprend des boucles de stockage 10 couplées à une ligne d'écriture 12 par des moyens d'échange 14 et à une ligne de lecture 16 par des moyens de duplication 18. Tous ces éléments sont bien connus. La ligne de lecture 16 amène les bulles à une zone de lecture 20, par l'intermédiaire d'une zone d'allongement 22. La zone d'allongement est classiquement constituée par des rangées de chevrons 24. Dans la zone de lecture 20, le dispositif a généralement la constitution générale montrée en Figure 2: il comporte un substrat 24, formé par du grenat de 0,6 'à 1,5 micron d'épaisseur lorsque l'on veut obtenir des bulles de l'ordre du micron. Les bulles sont formées dans une couche obtenue par croissance épitaxiale ou plus fréquemment dans des motifs 26 implantés à la sur- face du grenat. Ces motifs sont surmontés d'une couche d'espacement isolante 28, généralement en oxyde de silicium, d'environ 100 nanomètres d'épaisseur. Sur la couche d'espacement 28 sont déposés des éléments de détection minces 30, dont un seul est montré sous forme d'une bande. Ces éléments de détection sont minces (30 à nanomètres en général), ce qui permet de les réaliser aisément par photolithogravure, généralement en fer- nickel choisi pour ses propriétés magnéto-résistives. On voit que ces éléments de lecture sont très proches du grenat 24, puisqu'ils n'en sont séparés que par la cou- che d'espacement 28. Une couche isolante 32, fréquemment en oxyde de silicium, et une couche supplémentaire 34 également isolante, fréquemment en polyimide, séparent les éléments de détection 30 de motifs de propagation 36, dont un seul est représenté, en matériau à perméabi- lité magnétique élevée. Ces motifs, fréquemment en forme de chevrons, ont généralement une épaisseur comprise entre 300 et 400 nanomètres, ce qui rend difficile de les rendre très étroits. Ils sont en fer-nickel, opti- misé pour avoir une grande perméabilité magnétique, ou en un matériau amorphe. Les motifs sont enfin recouverts d'une nouvelle couche isolante et de protection 38. Le dispositif est muni de moyens, non représen- tés, permettant d'appliquer au système un champ continu de polarisation H et un champ tournant Ht de propaga- tion. L'élément de détection en fernickel mince, lorsqu'il se réduit à une bande 30 comme sur la figure 2, a tendance à piéger les bulles et à les maintenir dans une position fixe, en retard sur le champ tournant Ht. Suivant un premier mode de réalisation de l'inven- tion, cet inconvénient est écarté en donnant à l'élément de détection 30 non plus une forme de simple bande, mais une forme de bande munie de barbes 46 constituant cha- cune une branche de chevron. Ces barbes sont disposées de façon à favoriser la propagation des bulles. Sur la figure 3, elles débordent des chevrons 36 correspon- dants, réduisant ainsi la brèche ou entrefer avec la rangée de chevrons adjacente et elles ont une inclinai- son plus forte que celle des chevrons. Un des résultats obtenus est notamment d'améliorer le bas de champ de polarisation. Lorsque la zone de lecture comporte des éléments de détection allongés 30 munis de barbes, il est possible de simplifier considérablement la constitution globale de la zone de détection, par rapport à la disposition classique montrée en figure 4A. Dans cette disposition classique, la zone de lecture proprement dite, comprenant des chevrons épais 36 et des éléments de détection en fer-nickel minces 30, est suivie, successivement, d'une rangée de chevrons d'absorption de bulles 48, puis de chevrons inversés 50 destinés à re- pousser les bulles et enfin d'un détecteur fantôme 52 de constitution similaire à celle du détecteur "actif". Classiquement, la détection s'effectue par mesure diffé- rentielle entre la bande 30 et la bande du détecteur fantôme 52. La destruction des bulles par l'absorbeur 48 est difficile lorsqu'on utilise des bulles de faible diamè- tre dans du matériau à fort champ d'anisotropie (ce qui se traduit par des perturbations du fonctionnement du dispositif à basse température o le champ d'anisotropie augmente). La présence de barbes du genre montré en figure 3 améliore le fonctionnement de la zone de lecture du fait qu'il est possible de réduire à une valeur extrême- ment faible la distance qui sépare l'extrémité des bar- bes 46 de celle chevrons de la rangée de chevrons qui suit 48, puisque ces extrémités se trouvent à des niveaux différents. Le passage des bulles du détecteur à l'absorbeur est en conséquence facilité et réduit le risque de piégeage. Grâce à la présence des barbes 46, le pic de signal correspondant au passage d'une bulle est tres localisé: il est alors possible de placer le détecteur actif et le détecteur fantôme, correspondant aux deux branches d'un pont de mesure différentielle sur deux rangées de chevrons successifs dans des branches opposées. La disposition est alors celle montrée en figure 4B. Elle supprime la nécessité de détruire les bulles. En effet, comme le montre la figure 5, du fait de la localisation précise des bulles, le risque de masquer l'impulsion 54 due à l'arrivée d'une seconde bulle sur l'élément de détection 30 par l'impulsion 56 due au passage d'une première bulle sur le détecteur fantôme disparaît. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'inven- tion montré en figure 6, pouvant être utilisé en combi- naison avec le premier, des éléments courts 58 en maté- riau à forte perméabilité magnétique (fer-nickel par exemple) sont interposés entre les rangées successives de motifs de fer-nickel épais 60 de la zone de propaga- tion, correspondant aux boucles de stockage montrées en figure 1. Ces éléments 58, encore placés au même niveau que les élément de détection 30, permettent de combler la perte de profondeur du puits de potentiel & la tra- versée de la brèche qui sépare deux motifs successifs: on sait que le manque de précision dans la réalisation des motifs épais par photogravure impose & cette brèche une valeur minimum qui peut être telle que les bulles n'arrivent pas & franchir la barrière de potentiel constituée, même dans le cas de motifs ayant une grande période spatiale de propagation des bulles. Les motifs de fer-nickel minces peuvent avoir une forme telle que le puits de potentiel garde une valeur sensiblement constante & la traversée de la brèche. Ces motifs peuvent avoir des dimensions faibles et être réalisés avec beaucoup de précision étant donné leur faible épaisseur. Dans le mode de réalisation montré en figure 6, ils ont une forme circulaire et sont associés à des motifs épais en forme de nouvelle lune présentant un décrochement terminal de décalage des pôles. Mais, éventuellement avec une forme modifiée, les éléments minces 58 pourraient être utilisés avec toute autre forme de motifs de propagation, par exemple celle décrite dans le document "AN 8 pm PERIOD BUBBLE MEMORY DEVICE WITH RELAXED FUNCTION DESIGNS", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol MAG-15, n' 6, Novembre 1979 pages 1692-1696. Dans un autre mode encore de mise en oeuvre de l'invention, encore utilisable en combinaison avec les précédents, des éléments en fer-nickel minces sont uti- lisés dans la zone d'écriture de bulles par nucléation. Classiquement, on utilise, pour 'écrire des bulles, la configuration montrée en figure 7, comprenant des motifs en fer-nickel épais 62 et une piste conductrice 64, placée à un niveau plus bas inférieur et prévue pour recevoir des impulsions de courant. L'un des problèmes posés par les dispositifs à mémoire à bulles de faible diamètre est lié & la densité de courant requise dans les pistes conductrices 64. La densité de courant & appliquer est sensiblement proportionnelle au champ d'anisotropie dans le substrat; pour des bulles de faible diamètre on arrive à des intensités de courant telles que la vie des pistes conductrices est réduite du fait d'un phénomène d"électromigration. L'invention permet de réduire le courant nécessaire à la nucléation et de mieux localiser l'endroit o la bulle est créée (théoriquement à un emplacement 66 situé à la pointe du motif épais d'écriture). Ce résultat est atteint en dis- posant au même niveau que les éléments 30, des éléments minces supplémentaires 68 en fer-nickel aidant au fran- chissement des brèches ou entrefers. Ces éléments sup- plémentaires peuvent déborder directement sur la piste conductrice 64, comme indiqué en 68 sur la figure 8, et ils sont séparés des motifs de fer-nickel épais par les couches d'isolant 32 et 34. Du fait de la différence de résistivité entre le fer-nickel constituant les éléments minces à forte per- méabilité magnétique et les conducteurs, habituellement en or ou en aluminium, on peut directement appliquer les éléments minces 68 sur les conducteur 64. Il n'est pas nécessaire de décrire ici la constitution des éléments car elle peut être similaire à celle déjà mentionnée. Les mémoires à bulles sont généralement organi- sées en accès par bloc, suivant une disposition qui peut être celle décrite dans l'article 'Block-Replicate Chip Operation at 250 kHz over the Temperature Range -25'C to 75*C', IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol. mag-15, n' 1, janvier 1979, pages 879-885. Il est alors nécessaire de placer de nombreuses portes de duplication en série. Un problème similaire à celui de l'écriture des bulles se pose alors: du fait que le courant nécessaire pour couper les bulles est élevé et que l'épaisseur des con- ducteurs ne peut être augmentée sans nuire à la planéité des motifs en fer-nickel, on arrive & des tensions & peine compatibles avec les circuits intégrés courants, même si on groupe le plus grand nombre possible de conducteurs en parallèle. Là encore, l'emploi d'éléments en fer-nickel minces permet de réduire le courant nécessaire & la coupure en concentrant les lignes de flux produites par le courant qui parcourt les pistes et en estompant l'effet des pistes conductrices dont l'épaisseur nuit & la planéité des motifs en fer-nickel épais et éloigne les motifs épais du substrat. L'invention est également applicable aux dispo- sitifs de mémoire à bulles dans lesquels chaque boucle de stockage est repliée sur elle-même pour éloigner les portes de duplication ou d'échange de registres voisins et limiter les interactions entre elles (figure 9). Il est alors nécessaire, dans les registres d'entrée-sortie de conserver des motifs de fer-nickel épais & grande période spatiale (32 pm par exemple) du fait de la présence des conducteurs qui augmente la distance de ces motifs au substrat ferrimagnétique. La zone de stockage est au contraire réalisée avec une densité aussi élevée que possible ce qui implique des motifs & faible période de propagation (4 pm par exemple) . Suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, cette zone est consti- tuée par des chevrons en matériau mince à forte perméa- bilité magnétique placés très près du substrat, ce qui permet de mieux propager les bulles pour un champ tour- nant donné et est réalisable sans étape supplémentaire de fabrication en disposant ces chevrons au niveau des éléments de détection 30. Il est alors nécessaire de réaliser des jonctions 78 entre zone de stockage et les moyens de lecture et de duplication. Ces jonctions peuvent être faites en technologie hybride avec jonction entre les deux niveaux par photolithographie. Le domaine d'application de l'invention ne se limite pas aux dispositifs de mémoire & bulles magnéti- ques à motifs implantés. L'invention est également ap- plicable aux dispositifs hydrides DNI/motifs fer-nickel o la zone de stockage est réalisée en technologie DNI, à faible période spatiale de propagation, généralement à boucles de stockage repliées suivant le schéma de la figure 9. Dans ce cas les extrémités de chaque boucle doi- vent être munies de jonctions avec les zones utilisant des motifs en fernickel (côté portes d'échange 14 et portes de duplication 18). Les jonctions proprement dites peuvent être du genre décrit dans le brevet US 4 546 452. Pour assurer le fonctionnement correct de telles jonctions, on a proposé de réaliser une implan- tation progressive (brevet US 4 503 517), mais cette progressivité est difficile à contrôler. Suivant l'invention, des motifs de fer-nickel minces réalisables par photolithogravure chevauchant à la fois la zone implantée et la zone adjacente sont prévus pour estomper le sommet de champ et franchir la transition entre zones. Ces motifs peuvent avoir la disposition montrée à titre d'exemple en figure 10. Les quelques exemples qui ont été donnés mon- trent que l'utilisation d'éléments en fer-nickel minces proches du substrat, en coopération avec des motifs épais et éventuellement des pistes conductrices, permet d'améliorer le fonctionnement des dispositifs à mémoire et d'augmenter leurs performances. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mémorisation à bulles magnéti- ques comprenant une zone de lecture (20) ayant des élé- ments de détection minces (30) surmontés d'une couche isolante qui porte des motifs épais (36) de propagation des bulles, en matériau à perméabilité magnétique éle- vée, et une zone d'allongement des bulles (22) compre- nant également des motifs épais (24) de propagation de forme telle que le champ tournant du dispositif fasse progresser les bulles le long des motifs, caractérisé en ce que des éléments localisés en matériau magnétique à perméabilité élevée, d'épaisseur beaucoup plus faible que celle des motifs, réalisables par photolithogravure et placés au même niveau que les éléments minces de détection, sont disposés dans au moins une zone autre que la zone d'allongement pour faciliter les opérations qui y interviennent. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que chaque élément de détection (30) est constitué d'une bande munie de barbes (46) constituant chacune une branche de chevron, débordant des motifs épais associés à l'élément de détection vers les motifs épais adjacents et d'inclinaison tendant à favoriser la propagation des bulles sous l'action du champ tournant. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la rangée de motifs épais (36) associée à l'élément de détection (30) est directement suivie par une rangée de chevrons munie d'un élément de détection fantôme. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que des éléments courts (58) en matériau à perméabilité magnétique élevée, placés au niveau des éléments de détection, sont interposés entre les motifs épais (60) de propagation des bulles d'une zone de stockage. 5. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce qu'il comporte une zone de stockage constituée de motifs minces de propagation situés au niveau des éléments de détection et des zones de raccordement avec des moyens d'échange et des moyens de duplication à motifs en fernickel épais placés à un niveau différent. 6. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une zone d'écriture et une zone de duplication ayant des motifs en fer nickel épais à un premier niveau, des pistes conductrices et des éléments en fernickel minces à un second niveau. 7. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que les élé- ments minces ont une épaisseur comprise entre 30 et 80 nanomètres.