CN101145597B - 采用磁畴壁移动的存储器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用磁畴壁移动的存储器装置。该存储器装置包括第一轨道、互连层和第二轨道。包含磁材料的第一轨道沿着第一方向形成。互连层形成在第一轨道上。包含磁材料的第二轨道沿着第二方向形成在互连层上。

Description

采用磁畴壁移动的存储器装置
技术领域
本发明涉及一种存储器装置，更具体地讲，涉及一种用于通过引发磁畴壁移动对数据进行写入、存储和删除的存储器装置。
背景技术
由于导致需要高容量的数据存储的信息技术的发展，使得对能够存储大量数据的数据存储介质的需求持续增长。因此，数据存储速度提高，开发出使存储装置小型化的方法，结果，开发出种类广泛的数据存储装置。广泛使用的数据存储介质是硬盘驱动器(HDD)，HDD包括读/写头和数据记录在其上的旋转介质，并具有记录100吉字节(GB)的数据或更多数据的容量。然而，存储装置比如HDD中的旋转部分容易磨损，使得这类器件的可靠性在长期的使用之后的操作中受到可能出现故障的威胁。
目前，对利用磁畴壁移动原理的新型数据存储器装置正在进行研究和开发。
图1A至图1C是示出了使磁畴壁移动的原理的透视图。参照图1A，示出了磁线10，磁线10包括第一磁畴11、第二磁畴12以及在第一磁畴11和第二磁畴12之间的磁畴壁13。
下文中，在磁材料内的微磁区域将被称作磁畴。在这种磁畴中，电子的旋转(即电子的磁矩方向)相同。可以通过改变磁材料的类型、磁材料的形状和尺寸以及被施加的外部能量，来调节这种磁畴的尺寸和磁化方向。磁畴壁是分隔分别具有不同磁化方向的磁畴的区域。可以通过向磁材料施加磁场或电流，来使这种磁畴壁移动或传播(propagation)。
如图1A所示，在具有预定宽度和厚度的磁层中创建按预定方向设置的多个磁畴之后，可以利用磁场或电流将磁畴的磁化方向反向。
参照图1B，当在从第二磁畴12向着第一磁畴11的方向上沿着磁线10施加磁场时，磁畴壁1 3会沿着与施加外部磁场的方向相同的方向移动，即，沿着从第二磁畴12向着第一磁畴11的方向移动。利用相同的原理，当沿着从第一磁畴11向着第二磁畴12的方向施加磁场时，磁畴壁13沿着从第一磁畴11向着第二磁畴12的方向移动。
参照图1C，当沿着从第一磁畴11向着第二磁畴12的方向提供外部电流时，磁畴壁13向着第一磁畴11移动。当提供电流时，电子沿着与电流的方向相反的方向流动，磁畴壁与电子沿着相同的方向移动。即，磁畴壁沿着与外部提供的电流的方向相反的方向移动。当沿着从第二磁畴12向着第一磁畴11的方向提供电流时，磁畴壁向着第二磁畴12移动。
总而言之，利用有助于磁畴传播的施加的外部磁场或电流，可以使磁畴壁移动。
移动磁畴的原理可以应用到存储器装置比如HDD或只读存储器(RAM)。具体地讲，通过利用移动磁材料的磁畴壁来改变磁材料中的磁布置的原理，可以执行读取/写入二进制数据“0”和“1”的操作，所述磁材料具有按预定方向磁化的磁畴，其中，磁畴壁表示各磁畴之间的边界。当电流施加到线性磁材料时，磁畴壁的位置发生改变(即，磁畴壁传播)，以读取和写入数据，从而用简单结构来构造高度集成的装置。因此，移动磁畴壁的原理可以应用于构造和使用与传统的存储器(如铁电随机存取存储器(FRAM)、磁阻随机存取存储器(MRAM)和相变随机存取存储器(PRAM)装置)相比具有大得多的存储容量的存储器装置。然而，将磁畴壁的移动应用于半导体装置仍然处于开发的初级阶段，并且装置具有比较低的数据存储密度。因此，需要具有为高密度装置而优化的结构的利用磁畴壁移动的存储器装置。
发明内容
本发明提供了一种采用磁畴壁移动的具有高的数据存储密度和简单结构的存储器装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种存储器装置，该存储器装置包括：第一轨道层，沿着第一方向形成，并包含磁材料；互连层，形成在第一轨道层上；第二轨道层，沿着第二方向形成在互连层上，并包含磁材料，其中，第一轨道层和第二轨道层各具有从互连层延伸的部分，所述部分不与互连层接触，其中，互连层由磁各向异性常数比第一轨道层的磁各向异性常数和第二轨道层的磁各向异性常数低的磁材料形成，其中，第一轨道层、第二轨道层和/或互连层中的至少部分的磁化方向被重新调整。
存储器装置可具有如下构造或布置：第一轨道层中不与互连层接触的部分和第二轨道层中不与互连层接触的部分彼此平行、彼此正交或者被设置成彼此交叉。
第一轨道层和第二轨道层可各形成为具有多层的结构。
第一轨道层和第二轨道层可由磁各向异性常数在105J/m3和107J/m3之间的磁材料形成。
第一轨道层和第二轨道层可由具有垂直磁各向异性的材料形成。
第一轨道层和第二轨道层可由包括CoPt和FePt中的至少一种的材料形成。
第一轨道层和第二轨道层可各具有在1nm至100nm范围内的厚度。
互连层可具有多层结构。
互连层可由磁各向异性常数在102J/m3和103J/m3之间的磁材料形成。
互连层可具有在10nm至100nm范围内的厚度。
互连层可由NiFe、CoFe、Ni、Fe、Co及包括NiFe、CoFe、Ni、Fe、Co中的至少一种的合金中的至少一种形成。
附图说明
通过参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的以上和其它特征和优点将变得更清楚，在附图中：
图1A至图1C是示出了磁畴壁移动的原理的透视图；
图2是示出了根据本发明实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的透视图；
图3是示出了根据本发明另一实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的透视图；
图4是示出了根据本发明另一实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的透视图；
图5A和图5B是示出了根据本发明另一实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的透视图，更具体地讲，示出了可以根据写入轨道的磁化方向来将软磁互连层的磁化方向重新调整的存储器装置的透视图；
图6A至图6H是示出了根据本发明实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的数据写入方法的透视图。
具体实施方式
现在将参照根据本发明实施例的附图来更充分地描述本发明。在附图中，为了清晰起见，夸大了层和区域的厚度。
本发明提供了一种存储器装置，该存储器装置包括：第一层，设置有具有至少一个磁畴的第一轨道；第二层，设置有由磁材料形成的第二轨道；互连层，形成在第一层和第二层之间。在整个说明书中，设置有第一轨道的第一层有时也被表示为“第一轨道”。在整个说明书中，设置有第二轨道的第二层有时也被表示为“第二轨道”。
图2是示出了根据本发明实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的透视图。
参照图2，示出的存储器装置包括：第一轨道21，沿着第一方向形成；第二轨道23，沿着第二方向形成；软磁互连层22，形成在第一轨道21和第二轨道23之间。在图2所示的实施例中，第一轨道21和第二轨道23彼此平行地形成，这样可被定义为平行型存储器装置。第一轨道21用作写入轨道，第二轨道23用作数据存储轨道。
第一轨道21和第二轨道23各由具有高的磁各向异性特性的材料形成，以实现增加的数据记录密度。可以使用磁各向异性常数为105J/m3或更高的材料。在一个实施例中，可以使用磁各向异性常数为105J/m3至107J/m3的高Ku材料。这种材料的具体例子为CoPt、FePt及其合金，这些材料具有垂直磁化特性。第一轨道21和第二轨道23可以形成为单层结构或多层结构。第一轨道和第二轨道可以形成为线或带的形式。第一轨道21和第二轨道23的厚度可以为1nm至100nm。第一轨道21和第二轨道23的宽度可以在10nm至500nm的范围内。
互连层22由磁各向异性特性低于第一轨道21和第二轨道23的磁各向异性特性的低Ku材料形成。互连层22可以由磁各向异性常数低于103J/m3的材料形成。在一个实施例中，互连层22可以由磁各向异性常数在102J/m3和103J/m3之间的材料形成。
这种材料的具体例子为NiFe、CoFe、Ni、Fe、Co以及包括所述材料中的至少一种材料的合金。互连层22的厚度可以为10nm或更大。在一个实施例中，互连层22的厚度可以形成为在10nm和100nm之间。
图3是示出了根据本发明另一实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的透视图。
参照图3，存储器装置包括：第一轨道31，沿着第一方向形成；第二轨道33，沿着第二方向形成；互连层32，形成在第一轨道31和第二轨道33之间。在图3所示的实施例中，第一轨道31和第二轨道33彼此正交地形成，下文中，这种被称作正交型存储器装置。
对于图3所示的存储器装置，第二轨道33相对于第一轨道31的构造或布置与图2所示的第二轨道23的不同。然而，用于形成图2所示的实施例的相同的材料可以用于图3所示的实施例的对应的轨道和层。
图4是示出了根据本发明第三实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的透视图。
参照图4，存储器装置包括：第一轨道41，沿着第一方向形成；第二轨道43，沿着第二方向形成；互连层42，形成在第一轨道41和第二轨道43之间。在图4所示的实施例中，第一轨道41和第二轨道43彼此交叉地形成，下文中这种被称作交叉型存储器装置。
对于图4所示的存储器装置，与图3所示的存储器装置相比，第二轨道43形成为从互连层42的两侧延伸。
图2至图4是示出了根据第一轨道和第二轨道的形成方向的存储器装置的透视图。对于根据本发明实施例的存储器装置的轨道，可以根据使用装置的环境来调节第一轨道、第二轨道和互连层的构造或布置。可以根据需要来设置第一轨道和第二轨道的方向。第一轨道和第二轨道可以由可具有大量磁畴的线或带形成。
图5A和图5B是示出了根据本发明另一实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的透视图。互连多层52是包括层52a、52b和52c的多层。互连多层52形成在第一轨道51上。第二轨道53沿着第二方向形成在互连多层52上。与用在图2所示的本发明的实施例中的材料相同的材料可以用于第一轨道51和第二轨道53及互连多层52。如上所述，互连多层52的材料可以具有103J/m3或更小的磁各向异性常数。可以使用磁各向异性常数为102J/m3至103J/m3的材料。例如，可以使用NiFe、CoFe、Ni、Fe、Co或包括NiFe、CoFe、Ni、Fe和Co中的至少一种的材料。
图5A和5B示出了互连层52和第二轨道53的磁化反向(magnetizationreversion)。参照图5A，第二轨道53的磁畴通过互连多层52移动到第一轨道51。从第一轨道51向第二轨道53提供电流。参照图5B，第一轨道51的磁畴通过互连多层52移动到第二轨道53。从第二轨道53向第一轨道51提供电流。
图6A至图6H是示出了根据本发明实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的数据写入方法的透视图。
参照图6A，第一轨道61平行于第二轨道63形成。互连层62形成在第一轨道61和第二轨道63之间。这里，第一轨道61是写入轨道，第二轨道63是数据存储轨道。由导电材料形成的第一导线E1形成为与第二轨道63的左端部连接。第二导线E2形成为与第一轨道61的左端部连接。第三导线E3形成为与第一轨道61的右端部连接。具有向上的磁化方向的磁畴区A1和具有向下的磁化方向的磁畴区A2形成在第一轨道61上。磁畴区A1通过磁畴壁W与磁畴区A2分隔开。对于第二轨道63，磁化沿着向上的方向。沿着向下方向的磁化被设置为“0”，沿着向上方向的磁化被设置为“1”。下面将描述当磁化方向初始地沿着向上方向时在第二轨道63上将数据记录为“0”的描述。
参照图6B，通过在第一轨道61的各端部的第二导线E2和第三导线E3来提供电流。
参照图6C，当使电流从第二导线E2流向第三导线E3时，磁畴壁W沿着与电流的流动相反的方向移动。磁畴壁与电子的移动一起移动，使得磁畴壁沿着与电流的方向相反的方向移动。因此，磁畴壁W向着第二导线E2移动。结果，第一轨道61的磁畴区A1的长度减小，磁畴区A2的长度增加。当磁畴区A2位于互连层62下面时，互连层62受到磁畴区A2的影响，并沿着与磁畴区A2相同的方向磁化。即，在互连层62出现磁化反向。
参照图6D，在第一轨道61的左端部的第二导线E2被设置为OFF状态，在第二轨道63的左端部的第一导线E1被设置为ON状态。此外，使电流流过第一导线E1和第三导线E3。电流流动的方向被设置为从第一导线E1到第三导线E3，具有向下磁化的磁畴区A2通过互连层62向着第二轨道63扩展，第二轨道63的磁畴区A3的磁化从向上方向反向为向下方向，由此，数据“0”被记录到第二轨道63上。第二轨道63的磁畴区A3的磁化反向导致在第二轨道63中出现磁畴壁W′。
参照图6E，为了使磁畴壁W′向着第二轨道63的左端部移动，使电子从第三导线E3向着第一导线E1流动，即，沿着从第一导线E1到第三导线E3的方向施加电流。
接着，将描述在数据“0”被记录到第二轨道63上之后，记录具有向上磁化的磁畴区的过程，即，在第二轨道63上表现数据“1”的过程。
参照图6F，第一导线E1被设置为OFF状态，第二导线E2和第三导线E3被设置为ON状态，提供电流。
参照图6G，使电流从第三导线E3流向第二导线E2。当电流从第三导线E3流向第二导线E2时，电子从第二导线E2向着第三导线E3移动。因此，将具有向上磁化的磁畴区A1与具有向下磁化的磁畴区A2分隔开的磁畴壁W沿着向着第一轨道61的右边的方向移动。提供电流直到磁畴壁W穿过第一轨道61中互连层62与第一轨道61接触的区域为止。磁畴区A1接触互连层62，使得互连层62采用与第一轨道61的磁畴区A1相同的沿着向上方向的磁化。
参照图6H，第一导线E1和第二导线E2被设置为ON状态，第三导线E3被设置为OFF状态。当电流从第一导线E1向着第二导线E2提供时，电子从第二导线E2向着第一导线E1移动。因此，第二轨道63的与互连层62接触的区域采用向上的磁化，以形成磁畴区A4。这导致在磁畴区A3和磁畴区A4之间形成磁畴壁W″。当持续提供电流时，磁畴壁W″沿着第二轨道63向着第一导线E1移动。因此，数据区“1”被创建在数据区“0”的右边。
根据本发明的实施例，用于传播磁畴壁或使磁畴的反向磁化以对存储器装置写入数据和从存储器装置读取数据的电流或磁场的强度和持续时间可以根据层的材料、宽度和厚度来变化，并可以由本领域的技术人员来确定。
此外，下面描述根据本发明实施例的如图6A-6H所示的读取存储器装置中的数据的方法。磁阻传感器(未示出)设置在第一轨道61下面。通过形成在第一轨道61的右端部上的第三导线E3和形成在第二轨道63的左端部上的第一导线E1提供电流。第二轨道63的磁畴向着第一轨道61的右侧移动。磁阻传感器的阻值根据移动磁畴的磁化方向而变化。设置在第一轨道61下面的磁阻传感器可以通过测量阻值来读取磁化的方向。可以根据需要来确定磁阻传感器的位置。
本发明包括如下的优点。
首先，当操作存储器装置时，与HDD中不同，存储器装置不是机械地或物理地移动或接触，并能够记录和读取数据。因此，不发生机械磨损，使得装置适于应用在移动装置中。此外，由于可以将存储器装置小型化，因此存储器装置可以被制造成能够以兆兆比特/平方英寸(terabits/in2)的密度来存储数据的高密度装置。
其次，存储器装置的结构实质上得到简化，使得装置对于批量生产和再现性具有优势。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离如权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在本发明中做出各种形式和细节上的改变。例如，根据本发明的半导体器件可以是还包括读/写头的存储装置(比如HDD)、还包括读/写电极的存储器装置(比如RAM)和逻辑装置。因此，本发明的范围不是由对本发明的详细描述来限定的，而是由权利要求限定的，在范围内的所有差别将被理解为包括在本发明内。

Claims (12)

1.一种存储器装置，包括：
写入轨道层，沿着第一方向形成，并包含磁材料；
互连层，形成在写入轨道层上；
数据存储轨道层，沿着第二方向形成在互连层上，并包含磁材料，
其中，写入轨道层和数据存储轨道层各具有从互连层延伸的部分，所述部分不与互连层接触，
其中，互连层由磁各向异性常数比写入轨道层的磁各向异性常数和数据存储轨道层的磁各向异性常数低的磁材料形成，
其中，写入轨道层、数据存储轨道层和/或互连层中的至少部分的磁化方向被重新调整。
2.如权利要求1所述的存储器装置，其中，写入轨道层中不与互连层接触的部分和数据存储轨道层中不与互连层接触的部分彼此平行或者被设置成彼此交叉。
3.如权利要求1所述的存储器装置，其中，写入轨道层和数据存储轨道层各具有多层的结构。
4.如权利要求1所述的存储器装置，其中，写入轨道层和数据存储轨道层各由磁各向异性常数在105J/m3和107J/m3之间的磁材料形成。
5.如权利要求1所述的存储器装置，其中，写入轨道层和数据存储轨道层各由具有垂直磁各向异性的材料形成。
6.如权利要求1所述的存储器装置，其中，写入轨道层和数据存储轨道层各由包括CoPt和FePt中的至少一种的材料形成。
7.如权利要求1所述的存储器装置，其中，写入轨道层和数据存储轨道层各具有在1nm至100nm范围内的厚度。
8.如权利要求1所述的存储器装置，其中，互连层具有多层结构。
9.如权利要求1所述的存储器装置，其中，互连层由磁各向异性常数在102J/m3和103J/m3之间的磁材料形成。
10.如权利要求1所述的存储器装置，其中，互连层具有在10nm至100nm范围内的厚度。
11.如权利要求1所述的存储器装置，其中，互连层由NiFe、CoFe、Ni、Fe、Co及包括NiFe、CoFe、Ni、Fe、Co中的至少一种的合金中的至少一种形成。
12.如权利要求1所述的存储器装置，其中，写入轨道层中不与互连层接触的部分和数据存储轨道层中不与互连层接触的部分彼此正交。
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