автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка методов проектирования БИС на ЦМД с ионоимплантированными домено-продвигающими структурами

московский

ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Шувалова Татьяна Ивановна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БИС НА ЦВД С ИОНОИМГШАНТИРОВАННЬЩ ДОШШО-НРОДВИ-ГАЮЩИМИ СТРУКТУРА!®

Специальность 05.13.05 "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления".

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

МОСКВА 1992

Работа выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции Энергетическом институте.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент кафедрь ВТ Пескова С.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Ильяшенко Е.И. кандидат технических наук Чельдиев М.И.

Ведущая организация: Институт электрон улравл^лэг*/'* ма^н" ( г.Москва)

Защита состоится " '/9 " 1992г.в час. /К/Гауд. МАЪ

на заседании специализированного Совета К 053.16.09 в Московском энергетическом институте по адресу: Москва, Е-250.Красноказарменная ул.,14. Совет МЬИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МоИ.

Автореферат разослан "_"_199 г.

Ученый секретарь спет

Совета

I .ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На современном этапе развития общества, по мере увеличения потребности в запоминающих устройствах (ЗУ) все увеличивающейся ёмкости,возникает необходимость создания ЗУ с бо'ль-шей плотностью записи информации.

Этому требованию в большой степени удовлетворяют ЗУ на цилиндрических магнитных доменах (цМД).Кроме этого 4МД ЗУ обладают рядом свойств таких,как отсутствие подвижных частей,интегральное исполнение,произвольная выборка информации,энергонезависимость и другие,которые дают им определенное преимущество при применении в космических исследованиях,в мини- и микро-ЭВМ промышленных предприятий для гибких автоматических линий,на предприятиях,где затруднен ремонт и обслуживание оборудования,в устройствах с высокой ценой отказа оборудования.

■ В настоящее время перспективными по сравнению с применяемыми в СССР пермаллоевыми домено-продвигающими структурами (Д11С) цВД накопителя (Н1Щ) являются структуры с ионоимплантированными элементами (ИИ ДПС),поскольку они,повышая плотность записи информации, дают возможность создания ДОС для доменов диаметром меньшим или равным 2 мкм.Для них требуется сравнительно небольшая напряженность управляющего магнитного поля .порядка нескольких десятков эрстед¡отсутствуют жесткие требования к литографическому оборудованию, так как используются беззазорные Д11С ¡возможно использование гибридных ДПС,сочетающих преимуцества как ИЛ ДПС,так и пермаллоевых.

Сложность .возникающая при создании ИЛ ДОС,заключается в отсутствии простой методики практического определения форм.! и размеров структур.Проведение экспериментальных исследований дорогостояще и представляет большие трудности.

Таким образом,задача разработки методики практического расчета ИИ Д!1С и выбора оптимального варианта этих структур,а также исследование различных возможных соединений ИИ и пермаллоевых ДПС в гибридных ЗУ накопителях,исследование магнитной системы,создающей управляющее магнитное поле для продвижения доменов вдоль ИИ ДОС,весьма актуальна.

4елью диссертационной работы является анализ и разработка методов проектирования БИС ЗУ на 4МД с ИИ ДПС,обеспечивающих возможность увеличения плотности записи информации,уменьшения управляющих полей по сравнению с применяемыми в настоящее время пермал-лоевьми структурами.Кроме того .уменьшение в ряде случаев количества технологических слоев и снижение требований к разрешающей способности технологического оборудования,так как технология беззазорная,приведет к увеличению процента выхода годных изделий.

Методы исследований.Теоретические исследования проводились с использованием теории магнитного поля,основ электродинамики магнетиков,методов метематического анализа,численных методов решения дифференциальных уравнений.Исследования поддерживались расчетами на ЬШ.Для установления достоверности полученных результатов проводилось сранение с имеющимися экспериментальными данными,полученными зарубежными специалистами.

Научная новизна: -составлена классификация типов функциональных узлов накопителей на цВД;

-составлены классификация и сводная таблица ИИ ДПС различных типов;

-выявлена возможность применения для накопителя с симметричными Д11С методов ускорения поиска информации и уменьшения времени доступа;

-предложена новая модель расчета геометрических параметров "заряженных стенок" (ЗС) .полученные результаты с точностью до 6-» 9% согласуются с экспериментальными данными,имеющимися в научной литературе;

-в работе проанализированы различные варианты функциональных узлов НцВД - ИИ генераторов,репликаторов доменов и поворотных элементов в свернутых регистрах хранения информации;

-разработана методика расчета параметров магнитной системы как традиционной ,так и новейшей рамочной конструкций. Практическая ценность: -разработан новый улучшенный вариант переходного элемента из ИИ в пермаллоевый' трек продвижения доменов и обратно,на который по- • лучено авторское свидетельство;

-на основе проведенного с помощью предложенной выше модели анализа ИИ ДПС выбран наилучший ,с точки зрения плотности записи информации, вариант формы ИИ ДПС;

-создан новый более совершенный вариант ИИ-репликатора ,на который также получено авторское свидетельство;

-на основе разработанной методики расчета параметров магнитной системы .создающей поле управления,составлена программа расчета и выбора параметров системы,реализованная на языке Фортран. Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты работы были частично использованы в НИР .проведенной МЭИ

в 1988 - 1989 гг.Методика расчета параметров магнитной системы была пнедрена на предприятии .годовой экономический аффект от внедрения составил 71,66 тыс.рублей.

Апробация работы.Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на республиканской научно-технической конференции "Вопросы разработки гь-чис/ительной техники" ч мае 1989

года в г.Кишиневе / 3 / и на Всесоюзной научно-технической школе "Проблемы памяти ЭВМ" в сентябре 1990 года в г»Уфе.

На конференции в Кишиневе был сделан доклад "Моделирование магнитных систем для ЗУ на ЦМД с помощью ЭВМ", в котором были представлены результаты исследования магнитных систем,создающих управляющее магнитное поле в накопителях на цилиндрических магнитных доменах. Детальное изложение полученных результатов дано в четвертой главе данной диссертации.

На научно-технической школе в г.Уфе был сделан доклад обобщающий все полученные в диссертации выводы. В основном доклад "Метод расчета параметров "заряженных стенок" в запоминающих устройствах с ионоимплантированными домено-продвигающими структурами" был посвящен материалам изложенным в первой, второй и третьей главах диссертации.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе два авторских свидетельства на изобретение, 4 статьи, один отчет по НИР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 135 страниц машинописного текста, 53 рисунка и 4 таблицы, список литературы включает 106 наименований.

На защиту выносятся:

- математическая модель расчета геометрических параметров "заряженных стенок";

- методика расчета параметров магнитной системы, создающей управляющее магнитное поле для продвижения доменов вдоль Ш. ДПС;

I

- конструкция переходного элемента из ИИ в пермаллоевый трек продвижения доменов и обратно;

- конструкция репликатора доменов для ЦМД ЗУ.

II.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и сформулирована основная цель диссертации. Поставлены задачи для достижения цели работы и напечены пути их решения.Дано краткое изложение полученных автором результатов и основных положений.которые выносятся на защиту,рассмотрена структура диссертационной работы.

В первой главе диссертации проведён сравнительный анализ различных типов ДОС,получаемых на кристалле методом ИИ.Исследование направлено на выявление особенностей важных для построения модели расчета параметров ИИ ДПС.а также для проектирования НЦМД с ИИ ДПС.

Обосновано преимущество ИИ ДПС перед пермаллоевыми,рассмотрены гибридные схемы,в которых одна часть ДПС выполняется на основе пермаллоевых аппликаций,а другая часть создается методом ИИ, составлена классификация НЦМД с ИИ ДПС различных типов и таблица основных параметров ИИ ДПС по зарубежньм источникам.

Выявлена возможность применения для накопителей с симметричными ИИ ДПС методов ускорения поиска и выбора информации,разработанных для реверсивных структур,где возможно продвижение доменов в прямом и обратном 'направлениях в зависимости от направления вращения вектора напряженности управляющего магнитного поля.

Отмечены проблемы,возникающие при создании НдМД с ИИ ДПС из-за необходимости применения магнитной системы,создающей управляющее поле,которая является основным препятствием на пути уменьшения размеров корпуса микросхемы ЗУ на цЭД и ограничивает рабочую частоту устройства из-за инерционности катугаек,что,в свою очередь, уменьшает скорость записи .считывания и передачи информации.

Отмечены проблемы, возникайте при проектировании .М ДПС:от-

сутсткие простых и,в то же время,отражающих особенности формы ИИ ДПС методов расчета геометрических параметров ЗС,трудность точного определения профиля распределения радиационных дефектов по глубине кристалла при создании ИЛ ДПС.Обоснован выбор имплантанта -ионизированного водорода ( Н^ ).

Предложен улучшенный вариант топологии перехода из ИИ трека продвижения доменов в пермаллоевый и обратно.Повышение устойчивости процесса перехода информационного домена и расширение области устойчивой работы этого перехода обеспечивается за счет введения дополнительной 1-образной аппликации,которая вначале "принимает"

домен,а затем "отдает" его в Ш. канал или принимающему полюсу . магнитозамнкавщей пермаллоевой аппликации в зависимости от направления продвижения домена.На конструкцию переходного элемента получено авторское свидетельство.

Вторая глава посвящена рассмотрению и анализу основных форм ИИ ДПС и особенностям ДПС в зависимости от их ориентации относительно осей легкого намагничивания ( ОЛН ) в кристалле,дано качественное описание механизма образования ЗС.Рассмотренв известные методы анализа геометрических параметров ЗС.Показано,что точный метод расчета требует не только большого количества машинного времени,но и точного знания многих параметров магнитной пленки,на которой наносятся ДЛС.уже после проведения ИИ,что в условиях производства затруднено из-за наличия технологических разбросов.Сщест-вую.цие оценочные модели расчета параметров ЗС не учитывают форму ИИ ДПС,а учитывают только угол,образованный вектором напряженности магнитного поля и касательной к границе раздела 'АЛ и неимплантиро-ванней области в точке образования ЗС.Ири использовании этих моделей гызывает затруднение гкбор формы ИИ структуры.

В диссертации предлагается для определения параметров ЗС использовать метод физического моделирования, то есть замены одних процессов другими, имеющими отличную физическую природу. Показано, что форма и пропорции возмущения - области возвратно-циркуляционного движения - в ближнем следе за телами конечного размера осе-симметричной формы при течении вязкого газа вблизи них совпадают с параметрами ЗС. Для расчета параметров этих возмущений существует ряд отлаженных пакетов прикладных программ. В работе использовался пакет прикладных программ "ГАММА", основанный на решении уравнений Навье-Стокса, записанных в цилиндрической системе координат. Для численного решения этой системы уравнений используются явные разностные схемы.

Для подтверждения работоспособности метода и достоверности данных, получаемых расчетным путем по предложенной модели, проводилось сравнение полученных данных с экспериментальными результатами, полученными зарубежными учеными для некоторых частных случаев. Результаты достаточно хорошо согласуются между собой.

Расчеты проводились для трех типов форм симметричных Ш ДПС, которые чаще остальных применяются в настоящее время; показано, что наиболее приемлемой,с точки зрения повышения плотности записи информации, является "зигзагообразная" структура ( рис.1 ) с углом раствора в от 85 до 90°, если соседние треки располагаются на кристалле- со сдвигом в пол-периода, при этом размеры информационной ячейки уменьшаются до 3,5 х 3,5 (£ , где с{- диаметр домена.

Третья глава диссертации посвящена функциональным узлам НдМД, которые расположены непосредственно на кристалле, выполнены с помощью ИИ и служат для записи и считывания информации, обращается внимание на особенности проектирования внутренних и внешних поворотов в свернутых петлях регистров хранения информации.

В работе обобщены сведения из зарубежных источников о построении различных вариантов основных функциональных узлов НцДЦ новых разработок: генераторов, треков ввода и вывода информации,переключателей доменов, переключателей-репликаторов доменов, детекторов ЦМД и даны рекомендации по применению тех или иных вариантов в зависимости от требований технических заданий: плотности записи информации, времени доступа, количества технологических слоев, типа материалов и других.

Проведен анализ вариантов конструкции внутренних и внешних поворотов в свернутых регистрах хранения информации. Показано, что лучшим,с точки зрения надежности,является несимметричный У-образ-ный поворот ( рис.2 ).

Предложен вариант переключателя-репликатора, отличающийся от известных тем, что, с целью упрощения и повышения надежности, он содержит элемент расщепления полосового домена в виде двух неимп-лантированных участков магнитоодноосной пленки доменосодержащей, а токовая петля выполнена Г-образной формы ( рис.3 ). На этот ва-"риант получено авторское свидетельство.

Четвертая глава посвящена анализу типов наиболее часто используемых и перспективных магнитных систем,создающих управляющее магнитное поле, с целью выяснения преимуществ и недостатков каждого типа. Даны рекомендации по применению рассмотренных конструкций.

В работе предложена обобщенная математическая модель расчета параметров магнитных систем, которые могут использоваться для создания СБИС ЗУ на 4МД, разработанная на основе метода магнитных зеркальных отображений. В отличии от известных моделей учитывается бесконечное число отображений витка провода, помещенного в магнитный экран. Использование разложения в ряд Фурье функций, описы-' воющих наличие тока в самом проводе и в его отражениях, позволяет

Рис.1. "Зигзагообразная" структура.

Рис.2. "У-образный внутренний 180°-нь;й поворот.

легко решить уравнения Максвелла в объёме внутри экрана

ьЩ

Я = Ы А

с конечноразностными граничными условиями на поверхности магнитного экрана

СпГи ,

где л - оператор Лапласа, А - векторный потенциал магнитного поля, £ - вектор плотности тока, Н - вектор напряженности магнитного поля, п - единичный вектор,перпендикулярный к поверхности раздела и направленны/ от среды I к среде 2, I - вектор поверхностной плотности тока, а индексы относятся к противоположным сторонам раздела.

Пользуясь некоторыми упрощениями для компонент вектора напряженности магнитного поля в точке с координатами х, у,X внутри

экрана для одного витка проволоки получили следующие выражения:

Н = Г;/ТЕ 1 .

. СОЬ

А

н = lJlil.IL х-.Ш).5/»

У " I ГШ *и/

»7!х

. ип )' £ ? £ С■

нг= /¿- /а С",",*. к*. <*■6'А У.с>кг > я»

/>,/ «v *ч7

• со;

где / - плотность тока в п'ровоп,нике катушки,>£ О ], СьК- - функции, убыв&ощио с ростом я пропорционально

репликатора.Момент репликации.

С /1

Д2. \Р л

У

О

У к

/+В

1| и (I К

—И

X

с-% С- А ¿-в

Ьг+Б >>К

А-Л-а А

Рис.4.

!и О

У+Е

Виток катушки в сплошном магнитном экране и его проекции на плоскости ХОУ, Х02, 20У.

и

их квадрату, х, у, г- координаты точки,в которой определяется значение поля, параметры катушки А, В, С, А2,/1Х, в - указаны на рис.4.

При расчете поля в рабочей области внутри экрана учитывается то, что поле является суперпозицией всех полей, создаваемых каждым битком катушки, и проводится суммирование по всем виткам.

При практическом вычислении компонент магнитного поля по вышеприведенна формулам с достаточной для инженерных рачетов степенью точности 0,2% относительно поля в центре кристалла суммировать необходимо 5 1 6 членов ряда.

По предложенной математической модели составлены алгоритм и программа инженерных расчётов магнитных управляющих систем.Проведены расчеты четырех типов систем с тремя вариантами магнитного экрана:обычной и трех перспективных. Показано, что вариантом, от-вечаю;цим требованиям уменьшения габаритов СБИС ЗУ на 1Щ, являет- г ся вариант фирмы \\iicichi - катушка рамочной формы ( рис.5 ), заключенная в прямоугольный экран. Выигрыш в объеме по сравнению с традиционной составляет приблизительно 1,3 раза. Внедрение этой модели на предприятии дало экономический эффект 71,66 тыс*

рублей.

В заключении приведены основные результаты работы: в диссертации проанализированы ионоимплантированные домено-продви-гающие структуры для накопителей на цилиндрических магнитных доменах, функциональные узлы этих структур, а также магнитные системы, создающие управляо-цее магнитное поле для запоминающих устройств указанного типа.

I. На основе проведенного анализа в работе составлены классификации накопителей на цилиндрических магнитных доменах: а) по типу функциональных узлоп, расположенных на кристалле;

б)по типу магнитной системы, применяемой для получения поля управления.

2. С целью определения наиболее перспективных с точки зрения повышения плотности записи информации домено-продвигающих структур предложена модель, дающая возможность определять параметры "заряженных стенок".

3. В результате проведения моделирования на &ВМ для ионоим-плантированных структур наиболее часто применяемых форм показано, что более перспективной является "зигзагообразная" структура с углом раствора близким к 90°; плотность записи информации при исполь-

7 2.

зовании этой структуры достигает 3x10 бит/см при диаметре домена 0,5 мкм.

4. На основе полученных результатов разработаны:

а) улучшенный вариант элемента перехода из ионоимплантированного трека продвижения доменов в пермаллоевый и обратно, обеспечивающий более устойчивую работу, порядка ЗОН, перехода за счет введения дополнительной 1-образной аппликации,.которая вначале "принимает" домен, а затем "отдает" его в ионоимплантированнкй канал или принимающему полюсу С-образной аппликации, магнитозамыкающей ионоикп-лантированные каналы продвижения доменов;

б) новый вариант переключателя-репликатора для накопителя на цилиндрических магнитных доменах с ионоимплатированными домено-продви-гающими структурами, при использовании которого повышается выход годных изделий за счет уменьшения количества технологических слоев, Технологическая новизна обеих разработок защищена авторскими свидетельствами.

5. Предложена и программно реализована обобщенная математическая модель для расчета геометрических параметров магнитных сис-

-¿=>Г

-ХУ—С-

активная область

О"

)

ферритовый

сердечник

а

Рис.5.- Рамочная катушка без корпуса.

тем семи различных типов, разработанных на основе применения метода магнитных зеркальных отобрахений.

б. В результате исследования этой модели выявлено, что наилучшей с точки зрения уменьшения объема является рамочная катушка в магнитном экране ( выигрыл по сравнению с традиционной порядка в 1,3 раза). Полученные результаты внедрены на предприятии,о чем свидетельствует Акт о внедрении.

Полученные в работе результаты позволяют решать Еа-жные народохозяйственные задачи по созданию к освоению в производстве новых типов накопителей для систем микроэлектронной памяти &ВМ, повышающих технический уровень отечественных средств ВТ и способных работать в тяжелых производственных условиях на Земле и в космосе.

Основные результаты,полученкне в процесс? работк над диссертацией,опубликованы в следующих работах:

1. A.c. 1440276 СССР , 1.1КИ IICII/I4. Накопитель для запоминающего устройства на цилиндрических магнитных доменах / Заруцкий U.M., Мощинский Б.З., Сергеев В. И. и Шувалова Т.И.- 7с.:4ил.

2. A.c. 1538782 СССР, IICII/I4. Переключатель-репликатор цилиндрических магнитных доменов для доменной памяти / Заруцкий П.М., Мощинский Б.В., Савотин Ю.З., Шувалова Т.Н. и Сергеев В.Л. - 4с.:5ил.

3. Пескова С.А..Шувалова Т.И. Моделирование магнитных систем для ЗУ на дЗД с помощью ЭВМ // Республиканская научно-техническая кон($еренция "Вопросы разработки вычлс-

лительной техники": Тезисы докладов- Кишинев,1989г.-с.65-66. •

4. Пескова С.А., Шувалова Т.И.Разработка методов и средств радиоэлектронной аппаратуры и ЬВМ// Труды ин-та/ Московский энергетический институт, Вып. 650,М.,1990г., С. 127-130. ' • .

5. Шувалова Т.Н. Разработка модели для расчета на &ВМ конструкций магнитных систем поля управления 1Щ ЗУ-М.,1990г.-8 е.- Деп. в ВИНИТИ,29.10.90,№ 5506-В90.

6. Шувалова Т.И. Новый метод анализа вариантов формы элементов ионоимплантированных домено-продвигающих структур в ЗУ на цилиндрических магнитных доменах-М., 1990г.- 8 е.- Деп. в ВИНИТИ,29.10.90, № 5507-В90.

Бесплатно.

Г« > .1 рафия МЭИ, Кричкжиэрмечиа». 13.