Brevet FR2650430A1 — publié le 19910201

La présente invention concerne des dispositifs de mémoire prévus pour l'enregistrement d'information numéri- que, et elle porte plus particulièrement sur des disposi- tifs de mémoire à couches minces prévus pour enregistrer 'l'information sous la forme d'états magnétiques. On appelle mémoires vives (ou RAM) des disposi- tifs de mémoire qui permettent à l'utilisateur d'écrire ou d'enregistrer sélectivement de l'information dans ces dis: positifs, et ensuite de lire l'information qu'ils contien- nent. Une mémoire vive dynamique est un type de mémoire vi- ve qu'on utilise couramment pour la mémoire centrale de nombreux ordinateurs. Ce type de mémoire vive enregistre l'information au moyen de mémoires capacitives dans les- quelles la tension qui est stockée dans un condensateur particulier représente un bit d'information spécifique. Pour maintenir les niveaux de tension dans les condensa- teurs de stockage, on doit régénérer continuellement la mé- moire en lui fournissant des charges électriques. De ce fait, ce type de mémoire exige d'être con- necté à une source d'énergie constante, pour remplir la fonction de régénération. Si la source d'énergie électrique est déconnectée, les charges contenues dans les condensa- teurs de stockage finissent par se dissiper, et l'informa- tion enregistrée est perdue. On appelle souvent mémoire "volatile" ce type de dispositif de mémoire, à cause de cette caractéristique. Bien que les mémoires volatiles soient très lar- gement utilisées dans certaines applications telles que les. ordinateurs, le fait qu'elles nécessitent une source d'énergie électrique constante les rend impropres pour d'autres applications. Par exemple, dans des automobiles qui utilisent des indicateurs numériques sur le tableau de bord, une mémoire non volatile, qui n'exige pas une source d'énergie électrique constante, est nécessaire pour enre- 3j gistrer certaines informations, telle que la valeur du ki- lométrage total pour le compteur kilométrique, etc. En ou- tre, dans d'autres applications, telles que des applica- tions militaires, tout dispositif de mémoire qui est em- ployé doit être insensible au rayonnement et à des phénomè- nes similaires, et il doit être capable de permettre une lecture non destructive; en plus d'être non volatil. Pour procurer ces caractéristiques, on a employé des dispositifs de mémoire à réseau magnétique qui enregis- trent l'information numérique sous la forme d'états magné- tiques, au lieu de l'enregistrer sous la forme de charges capacitives. Fondamentalement, un dispositif de mémoire à réseau magnétique comprend un ensemble de lignes de bit conductrices qui sont mutuellement parallèles, et un autre ensemble de lignes de mot conductrices qui sont parallèles les unes aux autres et orthogonales aux lignes de bit. Une cellule d'enregistrement magnétique est formée par un maté- riau coercitif au point de vue magnétique qui est placé à l'intersection de chaque ligne de mot et de chaque ligne de bit. Lorsqu'on fait circuler des courants dans une ligne de mot et une ligne de bitr un champ magnétique résultant est généré à leur intersection. La direction de ce champ magné- tique est enregistrée sous la forme d'un dipôle magnétique dans le matériau coercitif au point de vue magnétique, à l'intersection des lignes de mot et de bit. On peut ensuite détecter la direction de ce dipôle, en utilisant des tech- niques inductives, pour lire le bit d'information qui est enregistré. Dans un effort visant à augmenter la densité d'implantation de mémoires à réseau magnétique, et à aug- menter ainsi la quantité d'information qu'on peut enregis- trer par unité d'aire, on a employé les technologies des couches minces dans la fabrication de ces mémoires. Fonda- mentalement, une mémoire à réseau magnétique à couches min- ces comprend un substrat isolant, par exemple du silicium, sur lequel les lignes de bit sont déposées. Chaque ligne de bit consiste en un conducteur métallique mince, par exemple en aluminium. Les lignes de mot sécantes, qui sont égale- ment constituées par des conducteurs métalliques minces, sont déposées sur les lignes de bit. A l'intersection de chaque ligne de mot et de chaque ligne de bit, une couche mince d'un matériau coercitif-au point de vue magnétique, de préférence du Permalloy, est interposée entre la ligne de mot et la ligne de bit. Ce matériau coercitif au point de vue magnétique forme les cellules de mémoire magnétique dans lesquelles on enregistre des bits d'information. Les mémoires à réseau magnétique à couches minces offrent des avantages considérables par rapport à des tech- nologies antérieures de mémoire à réseau magnétique, aussi bien en termes de coût de fabrication que de densité d'im- plantation. Cependant, la structure du réseau à couches minces présente des limitations pratiques concernant les densités d'implantation qu'on peut obtenir. Plus précisé- ment, par la nature même de la technologie des couches min- ces, les lignes de mot sont situées très prés des lignes de bit. Lorsqu'on effectue des efforts pour augmenter la den- sité d'implantation, les lignes de mot sont également rap- prochées les unes des autres. Il en résulte qu'une ligne de mot donnée quelconque est située relativement près de la cellule de mémoire qui est définie par l'intersection d'une ligne de mot adjacente et d'une ligne de bit, et le champ magnétique qui est généré autour de la ligne de mot consi- dérée pourrait affecter défavorablement l'information qui est enregistrée dans des cellules de mémoire adjacentes. Plus précisément, lorsqu'on fait passer un courant dans la ligne de mot pour lire des données dans la mémoire, sous l'effet du champ magnétique que crée ce courant, les domai- nes marginaux des états magnétiques qui sont enregistrés dans des cellules de mémoire adjacentes manifestent une expansion, ou un "cheminement", dans la direction des li- gnes de bit, sous l'influence de champs orthogonaux dynami- ques provenant des lignes de mot. I1 en résulte que la den- sité du domaine magnétique qui est enregistré à l'inter- section immédiate d'une ligne de mot et d'une ligne de bit diminue progressivement, avec une diminution résultante du niveau de signal qu'on peut obtenir lorsqu'on lit de façon inductive l'état qui est enregistré. Après des opérations de lecture multiples, le niveau de signal peut avoir dimi- nué jusqu'au point auquel il n'est pas possible de détecter de façon fiable les bits qui sont enregistrés dans la mé- moire. Un type de tentative visant à éliminer ce problè- me de cheminement de domaines a consisté à établir un blin- dage magnétique vis-à-vis des champs magnétiques qui sont générés par les lignes de mot et qui affectent d'autres li- gnes de mot. Dans cette technique, on place autour de cha- que ligne de mot un matériau de blindage magnétique, tel que le Permalloy, pour empêcher que le champ qui est généré par une ligne de mot n'affecte d'autres lignes de mot. Cet- te technique n'est cependant pas exempte de limitations as- sociées. Par exemple, pour binder effectivement les champs magnétiques, le matériau de blindage magnétique doit être relativement épais. L'exigence de couches épaisses autour de chaque ligne de mot augmente l'encombrement global du dispositif de mémoire, et impose à nouveau une limitation pratique sur la densité avec laquelle on peut implanter les lignes de mot dans des positions mutuellement adjacentes. De plus, la couche de blindage magnétique doit être suppri- mée au niveau des lignes de bit, de façon à ne pas affecter défavorablement le fonctionnement du dispositif de mémoire. Cette nécessité de supprimer la couche dans certaines par- ties du dispositif augmente le nombre d'étapes de traite- ment qui sont nécessaires, et augmente donc le coût global du dispositif. Il est donc souhaitable de procurer une mémoire à réseau magnétique à couches minces qui offre une densité dtimplantation accrue, sans la nécessité d'employer une couche de blindage magnétique épaisse autour des lignes de mot pour empêcher le cheminement des domaines magnétiques. Conformément à l'invention, une mémoire à réseau magnétique à couches minces qui procure des densités d'im- plantation relativement élevées, élimine le problème du cheminement des domaines magnétiques par l'utilisation de couches minces d'un matériau supraconducteur. Contraitement aux matériaux de blindage magnétique, qui arrêtent des champs magnétiques, des couches supraconductrices dérivent des champs magnétiques à cause de l'effet Meissner. Confor- mément à l'invention, des couches d'un matériau supracon- ducteur sont disposées autour des lignes de mot dans une mémoire à réseau magnétique à couches minces, pour empêcher que le champ magnétique qui est produit par une ligne de mot n'affecte des cellules de mémoire qui sont associées à des lignes de mot adjacentes. Du fait que le matériau su- praconducteur dérive effectivement le champ magnétique, au lieu de lui opposer un blindage, il est possible d'employer une couche mince du matériau pour obtenir l'effet désiré. I1 en résulte que les lignes de mot peuvent être placées très près ies unes des autres sans faire apparaître le phé- nomène de cheminement des domaines magnétiques, ce qui per- met d'obtenir une densité d'implantation accrue. Les principes précités de l'invention, ainsi que les avantages qu'elle procure et certaines de ses caracté- ristiques plus spécifiques, sont décrits ci-après de façon plus détaillée en relation avec un mode de réalisation pré- féré qui est représenté dans les dessins annexés, dans les- quels: La figure 1 est une vue en perspective d'une mé- moire à réseau magnétique à couches minces qui met en oeu- vre les principes de l'invention; La figure 2 est une vue par une extrémité de la structure du réseau, illustrant de façon plus détaillée la configuration des lignes de mot; et Les figures 3A et 3B sont des vues de dessus de l'intersection d'une ligne de mot et d'une ligne de bit, illustrant le champ résultant que forment des courants qui circulent dans les lignes. La figure 1 représente un dispositif de mémoire à réseau magnétique à couches minces du type auquel l'inven- tion se rapporte. Le dispositif de mémoire est formé sur un substrat comprenant une couche de matériau isolant 10, for- 10.-mée sur un plan de masse 12. Pour faciliter la fabrication du dispositif de mémoire par l'utilisation de techniques de traitement de semiconducteurs connues, on forme de préfé- rence le dispositif avec des matériaux couramment employés dans ces processus. Ainsi, à titre d'exemple, le plan de masse 12 peut consister en silicium dopé de façon appro- priée, et la couche isolante 10'pourrait consister en dio- xyde de silicium. Un ensemble de lignes de bit.14 sont disposées sur la couche isolante 10. Chaque ligne de bit comprend un conducteur métallique mince 16 qui est entouré par une cou- che d'un matériau 18 qui est coercitif au point de vue ma- gnétique et qui présente une perméabilité magnétique élevée. Il est préférable que le conducteur métallique 16 soit en aluminium et que la couche 18 soit constituée par du Permalloy, un alliage cobalt- nickel ou un autre matériau magnétique coercitif ayant une perméabilité élevée. Une couche isolante 20, consistant par exemple en dioxyde de silicium, est déposée sur chaque ligne de bit. Un ensemble de lignes de mot parallèles 22 sont déposées sur les lignes de bit et supportées sur ces dernières. Les lignes de mot sont orientées de façon généralement perpendiculairement aux lignes de bit 14. Si nécessaire, les lignes de mot peu- vent être supportées sur les lignes de bit par n'importe quelle structure appropriée (non représentée), telle qu'une couche d'isolation de champ formée par le même matériau que la couche isolante 20 sur les lignes de bit. L'intersection d'une ligne de bit 14 et d'une ligne de mot 22 définit une cellule de mémoire 24 dans le matériau magnétique 18 de la ligne de bit. La structure des lignes de mot 22 est illus- trée de façon plus détaillée dans la vue d'extrémité du dispositif de mémoire qui est représentée sur la figure 2. En considérant cette figure, on note qu'une ligne de mot consiste en une bande de matériau conducteur 26 qui achemi- ne un courant électrique pendant des opérations de lecture et d'écriture. Le matériau électrique est recouvert sur trois côtés par une couche mince de matériau isolant 28. Ce matériau isolant peut être contigu à la couche isolante 20 sur les lignes de bit, de façon que le matériau conducteur 26 soit entièrement entouré par un isolant. Autour de l'isolant se trouve une couche mince de matériau supracon- ducteur 30. Cette couche recouvre les trois côtés de la li-. gne de mot qui ne sont pas adjacents à la ligne de bit, et elle n'est pas interposée entre une ligne de bit et une li- gne de mot, de façon à ne pas affecter défavorablement les champs magnétiques désirés que génère la ligne de mot. En fonctionnement, pour écrire un bit d'informa- tion dans une cellule de mémoire 24, on fait passer un cou- rant à travers la partie conductrice 26 d'une ligne de mot 22, dans une direction prédéterminée, comme l'indique la flèche 32 sur la figure 3a. De plus, on fait passer un courant.à travers le conducteur métallique mince 16 d'une ligne de bit 14, dans une direction particulière, comme l'indique la flèche 34. Chaque courant établit un champ ma- gnétique autour de son conducteur, et un champ magnétique résultant est formé à l'intersection d'une ligne de mot et d'une ligne de bit. Dans le matériau coercitif au point de vue magnétique, 18, qui est disposé entre la ligne de mot et la ligne de bit, le champ magnétique résultant a l'orien- tation qui est représentée par les flèches 36 sur la figure 3a. De façon générale, le champ magnétique est orienté sous un angle d'environ 45 par rapport aux directions longitu- dinales de chacune des lignes de mot et de bit. Ce champ magnétique résultant oriente dans la même direction les do- maines magnétiques qui se trouvent à l'intérieur du maté- riau coercitif 18, grâce à quoi ces domaines enregistrent un bit d'information. En considérant maintenant la figure 3b, on note que lorsque le courant circule dans la ligne de bit 14 dans la direction opposée, comme l'indique la flèche 37, le champ magnétique résultant entre la ligne de mot et la li- gne de bit est orienté dans la direction qui est indiquée par les flèches 38. Ce champ oriente dans la direction op- posée les domaines magnétiques qui se trouvent à l'inté- rieur du matériau coercitif au point de vue magnétique, 18, qui forme la cellule de mémoire 24. Ainsi, en commandant la direction du courant-qui circule dans les lignes de bit 14, conjointement à l'application d'un courant à une ligne de mot, on peut enregistrer sélectivement dans les cellules de mémoire des bits d'information complémentaires. Pour lire l'information qui est enregistrée dans les cellules de mémoire, on fait passer un plus faible cou- rant dans une ligne de mot considérée, et on détecte de façon inductive l'orientation desodomaines magnétiques, par l'intermédiaire des lignes de bit. Pour augmenter la quantité d'information qu'on peut enregistrer dans une mémoire, il est souhaitable de placer les lignes de mot 22 individuelles aussi près les unes des autres qu'il est possible en pratique. En plaçant les lignes de mot près les unes des autres, on peut incor- porer un plus grand nombre de lignes de mot dans la struc- ture de réseau, ce qui augmente le nombre de bits qu'on peut enregistrer sur chaque ligne de bit. Cependant, lors- que les lignes de mot sont placées de plus en plus près les unes des autres, le champ magnétique qui est généré lors- qu'un courant circule dans une ligne de mot peut commencer à affecter défavorablement l'information qui est enregis- trée dans les cellules de mémoire qui sont associées à des lignes de mot adjacentes. En se référant à nouveau à la figure 2, on note que le champ magnétique qui est produit lorsqu'un courant traverse une ligne de mot 22, est illustré par les lignes en pointillés concentriques 40. Comme on peut le voir, ce champ magnétique traverse les cellules de mémoire 24 qui sont associées à des lignes de mot 22 adjacentes. Lorsque les lignes de mot sont relativement fortement espacées, la partie du champ magnétique qui traverse les cellules de mé- moire adjacentes est relativement faible, et elle n'affecte donc pas les domaines magnétiques à l'intérieur de ces cel- lules. Cependant, lorsque les lignes de mot sont plus rap- prochées les unes des autres, l'intensité du champ magnéti- que qui traverse les cellules de mémoire adjacentes augmen- te. Lorsque cette intensité est suffisamment élevée, ce champ magnétique peut provoquer un "cheminement" des fron- tières des domaines magnétiques qui définissent la cellule de mémoire 24. En d'autres termes, l'étendue de la cellule de mémoire 24 commence à augmenter dans la direction longi- tudinale de la ligne de bit 14. Il en résulte que la densi- té du champ magnétique qui est stocké dans la cellule de mémoire est réduite, et l'intensité du signal magnétique qu'on peut détecter de façon inductive dans la ligne de bit lorsqu'on fait passer un courant dans la ligne de mot dimi- nue. Après des opérations de lecture multiples, au cours desquelles un champ qui varie de façon. dynamique traverse les cellules de mémoire 24 adjacentes, le domaine magnéti- que peut présenter le phénomène.de cheminement au point qu'il n'est plus possible d'effectuer*des lectures fiables de l'information enregistrée. On peut cependant éviter ce problème en employant une couche mince 30 de matériau supraconducteur autour des trois côtés de la ligne de mot 22 qui ne sont pas adjacents à une ligne de bit. Fondamentalement, le matériau supracon- ducteur dérive effectivement le champ magnétique qui est créé par le courant dans la ligne de mot, à cause de l'ef- fet Meissner. Par conséquent, au lieu de pénétrer dans tou- tes les directions à partir de la ligne de mot, comme re- présenté par les lignes en pointillés 40, le champ magnéti- que est dirigé vers le bas pour pénétrer dans le matériau d'enregistrement magnétique 18 de la ligne de bit. Avec cette configuration, le champ magnétique est confiné dans la zone dans laquelle il est utile, c'est-à-dire à l'inté- rieur de la cellule de mémoire magnétique située au-dessous de la ligne de mot à partir de laquelle il est généré, et il n'affecte pas défavorablement les domaines magnétiques dans des cellules de mémoire qui sont associées à d'autres lignes de mot. Il en résulte que les lignes de mot peuvent être placées aussi près les unes des autres qu'il est-pos- sible en pratique avec la technique de fabrication utili- sant des couches minces, ce qui augmente considérablement la densité d'implantation du réseau de mémoire. Dans un mode de realisation préféré de l'inven- tion, la partie conductrice centrale 26 de la ligne de mot est également constituée par un matériau supraconducteur. Ce matériau supraconducteur est de préférence le même que celui qui est employé dans la couche extérieure mince 30. Des exemples de matériaux supraconducteurs qu'on peut uti- liser dans le contexte de l'invention comprennent l'oxyde de cuivre/baryum/yttrium (YBa2Cu307), l'oxyde de cuivre/ baryum-lanthane ((La,Ba)2CuO4), l'oxyde de cuivre/strontium- calcium/bismuth (Bi-(Ca,Sr)-Cu-O), et l'oxyde de cuivre/ baryum/calcium/thallium (Tl-Ca-Ba-Cu-O). Ces matériaux pré- sentent des effets supraconducteurs à la température de l'azote liquide ou à des températures voisines. L'homme de l'art notera que l'invention peut être mise en oeuvre dans d'autres formes spécifiques, sans s'écarter de son cadre ou de ses caractéristiques essen- 1l tielles., Par exemple, les lignes de mot pourraient être di- rectement déposées sur le substrat, et les lignes de bit pourraient être déposées sur les lignes de mot. Ou bien, dans un autre mode de réalisation, des lignes de bit peu- vent être disposées de part et d'autre des lignes de mot, pour définir deux cellules de mémoire magnétiques par bit d'information, et augmenter ainsi le niveau du signal. Il va de soi que de nombreuses autres modifica- tions peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mémoire à réseau magnétique à couches minces, caractérisé en ce qu'il comprend: un subs- trat (12); un ensemble de lignes de bit (14) disposées sur le substrat (12), parallèlement les unes aux autres, chaque ligne de bit (14) comprenant un matériau conducteur (16) entouré par un matériau ayant une coercivité magnétique élevée (18) et une perméabilité magnétique élevée, capable de mémoriser des états magnétiques; et un ensemble de li- gnes de mot (22) qui sont disposées sur les lignes de bit (14), parallèlement les unes aux autres et transversalement aux lignes de bit (14), pour former une matrice de cellules de mémoire (24) respectivement situées à l'intersection d'une ligne de mot et d'une ligne de bit, chaque ligne de mot (22) comprenant un matériau conducteur de l'électricité (26), un matériau électriquement isolant (28) disposé au moins autour des parties du matériau conducteur.de l'élec- tricité qui ne sont pas adjacentes à une ligne de bit, et une couche de matériau supraconducteur (30) qui est dispo- sée sur les parties du matériau isolant (28) qui ne sont pas adjacentes à une ligne de bit. 2. Dispositif de mémoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau conducteur de leélec- tricité (26) dans les lignes de mot (22) consiste en un ma- tériau supraconducteur. 3. Dispositif de mémoire selon la revendication 2, caractérise en ce que le matériau conducteur de l'élec- tricité (26) des lignes de mot (22) est identique au maté- riau supraconducteur qui se trouve dans la couche (30) qui est déposée sur le matériau isolant (28). 4. Dispositif de mémoire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche d'un matériau isolant (20) qui est disposée entre les li- gnes de mot (22) et les lignes de bit (14). 5. Dispositif de mémoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ligne de mot (22) a une section transversale pratiquement rectangulaire, et en ce qu'un côté de la ligne de mot (22) est placé en position adjacente aux lignes de bit (14), tandis que les trois au- tres côtés de la ligne de mot sont recouverts par la couche de matériau supraconducteur (30). 6. Dispositif de mémoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau coercitif au point de vue magnétique (18) consiste en Permalloy. 7. Dispositif de mémoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau coercitif au point de vue magnétique et à perméabilité élevée (18) consiste en un alliage cobalt-nickel. 8. Dispositif de mémoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau supraconducteur (30) consiste en oxyde de cuivre/baryum/yttrium. 9. Dispositif de mémoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau supraconducteur (30) consiste en oxyde de cuivre/baryum-lanthane. 10. Dispositif de mémoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau supraconducteur (30) consiste en oxyde de cuivre/strontium-calcium/bismuth. 11. Dispositif de mémoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau supraconducteur (30) consiste en oxyde de cuivre/baryum/calcium/thallium. - 12. Procédé d'élimination du cheminement de domai- nes magnétiques dans des cellules de mémoire (24), résul- tant de champs magnétiques qui sont produits par des cou- rants circulant dans des lignes de mot (22), dans le cadre d'un dispositif de mémoire à réseau magnétique à couches minces, du type comprenant un ensemble de lignes de bit (14) qui sont de façon générale parallèles, un ensemble de lignes de mot conductrices (22) orientées transversalement aux lignes de bit (14), et un matériau coercitif au point de vue magnétique et à perméabilité élevée (18), placé à chaque intersection d'une ligne de mot (22) et d'une ligne de bit (14), pour former une matrice de cellules de mémoire magnétiques (24), caractérisé en ce qu'il comprend l'opéra- tion consistant à revêtir chaque ligne de mot (22) avec une couche d'un matériau supraconducteur (30) de façon que le champ magnétique qui est produit par le courant dans une ligne de mot (22) soit dérivé, sauf dans la direction des cellules de mémoire magnétiques (24) qui sont associées à cette ligne de mot (22). 13. Procédé selon la revendication 12, caractéri- sé en ce que chaque ligne de mot (22) a une section trans- versale de forme générale rectangulaire, avec un côté de la ligne de mot disposé face aux lignes de bit (14), et avec le matériau coercitif au point de vue magnétique (18) in- terposé entre les lignes de mot (22) et les lignes de bit (14) à leur intersection, et en ce que la couche de maté- riau supraconducteur (30) est formée sur les trois côtés de la ligne de mot (22) qui ne font pas face aux lignes de bit (14). 14. Procédé selon la revendication 12, caractéri- sé en ce qu'il comprend en outre l'opération qui consiste à former une couche isolante (28) entre chaque ligne de mot (22) etola couche de matériau supraconducteur (30) qui est déposée sur elle. 15. Procédé selon la revendication 12, caractéri- sé en ce que la matériau supraconducteur (30) consiste en oxyde de cuivre/baryum/yttrium. 16. Procédé selon la revendication 12, caractéri- sé en ce que le matériau supraconducteur consiste en oxyde de cuivre/baryum-lanthane. 17. Procédé selon la revendication 12, caractéri- sé en ce que le matériau supraconducteur (30) consiste en oxyde de cuivre/strontium-calcium/bismuth. 18. Procédé selon la revendication 12, caractéri- sé en ce que le matériau supraconducteur (30) consiste en oxyde de cuivre/baryum/calcium/thallium.