CN101814295B - 电场辅助磁存储器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电场辅助磁存储器件，所述电场辅助磁存储器件具有多层复合薄膜结构，包括：底电极层；铁电氧化物层；磁性记录层；保护层；工作电压发生装置，所述工作电压发生装置在写入时通过所述底电极层和磁性记录层对所述铁电氧化物层施加电场。此外，本发明还提供一种所述电场辅助磁存储器件的制造方法。采用本发明的设备和方法，能够在写入时利用所施加的电场来降低磁矫顽场的大小，从而更方便写入，保证数据的安全性，同时降低能耗。
Description
技术领域
本发明涉及计算机存储技术领域，尤其是涉及一种电场辅助磁存储器件、用于制造该存储器件的制造方法以及具有该存储器件的垂直磁性记录装置。
背景技术
自19世纪末叶以来，磁信息存储***已经有了超过百年的发展历史，而计算机硬盘***自20世纪50年代由美国IBM公司开发至今，也已五十余年。目前硬盘是容量最大的信息存储器件。磁存储器件的基本原理是将信息以二进制的方式记录在磁性记录介质中，利用磁性记录介质中磁畴的不同取向来对应0-1信号。硬盘类磁性存储器件是当今计算机工业和信息存储的不可或缺的元件，随着科技的不断向前发展，硬盘的存储介质和结构不断得以优化，磁性记录层逐渐由铁氧体颗粒介质发展为当前普遍使用的铁磁合金介质，磁存储密度逐步增大。2005年以后，随着垂直磁性记录***的商用化，无论是磁存储介质、磁头还是信号处理***等硬盘磁性存储的各项技术都发展到了新的水平，商用硬盘的存储密度超过了100Gb/in2。
在硬盘等磁性存储装置中，对于磁性存储部分的主要技术来源于数据安全性的考虑，需要存储介质具有较高的磁矫顽场Hc，从而保证能够在外界干扰的状态下持续地保持磁畴的取向，用以保持数据记录的完整和安全。在硬盘工作的过程中，需要利用一个写磁头在磁性记录层施加一个超过该层磁矫顽场Hc的写入磁场来改变磁性记录层的磁畴取向。出于数据记录的安全考虑，人们希望能在磁性存储器件中发展磁矫顽场Hc更大的材料作为存储介质，相应地这就需要提供一个更大的写入磁场，但是产生的写入磁场越大，在技术上就会愈加困难，并且将大大增加器件的能耗。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中的上述技术问题之一。
由此，本发明需要提供一种基于磁电效应的电场辅助磁存储器件，所述电场辅助磁存储器件可以利用磁电效应作用来降低写入磁场的大小，从而降低能耗。
为了达到上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种电场辅助磁存储器件，所述电场辅助磁存储器件具有多层复合薄膜结构，包括：底电极层；铁电氧化物层，所述铁电氧化物层形成在所述底电极层上；磁性记录层，所述磁性记录层设置在所述铁电氧化物层上，用于进行磁性记录，所述铁电氧化物层与磁性记录层之间具有磁电效应的耦合作用；保护层，所述保护层设置在所述磁性记录层上，以保护所述磁性记录层；工作电压发生装置，所述工作电压发生装置在写入时通过所述底电极层和磁性记录层对所述铁电氧化物层施加电场。
根据本发明的第二方面，提供一种用于制造所述电场辅助磁存储器件的制造方法，包括下述步骤：形成底电极层；形成铁电氧化物层；在所述铁电氧化物层上沉积磁性记录层；在所述磁性记录层上形成保护层；以及提供工作电压发生装置，且将该工作电压发生装置的正负极分别连接至所述底电极层和磁性记录层，以用于在写入时对所述铁电氧化物层施加电场，其中所述铁电氧化物层位于所述底电极层上。
与现有技术相比，根据本发明的设备方法，采用多铁性磁电复合薄膜作为磁存储器件的主要部分，利用磁电效应原理提供了通过电场控制铁电氧化物层与磁性记录层之间的磁电耦合效应对磁性进行调制，在电场作用下显著减小磁性记录层的磁矫顽场Hc，实现电场辅助磁性数据写入的方法，使磁性存储器件数据存储安全性能提高，同时降低写入磁头的写入磁场，降低能耗。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于磁电效应的电场辅助磁存储器件的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于磁电效应的电场辅助磁存储器件的工作过程示意图，其中图2A为显示通电工作状态的示意图，图2B为显示断电保护的示意图；
图3为显示根据本发明一个实施例的电场辅助磁存储器件的写入磁场阈值比例随直流工作电压变化的示意图；
图4为显示根据本发明一个实施例的电场辅助磁存储器件的工作电压通断条件写入磁场阈值比例的示意图。
附图标记说明：
1复合薄膜 2基片层
3底电极层 4铁电氧化物层
5磁性记录层 6保护层
7润滑层 8工作电压发生装置
9写入磁头
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
磁电效应指的是在施加外电场作用下引起材料磁极化发生变化的多场耦合效应。多铁性磁电复合材料指的是一类将具有铁电性的材料和铁磁性的材料按照一定的复合结构组合在一起的新材料，这类新材料具有磁电效应。对于多铁性磁电复合薄膜而言，可以采用诸如脉冲激光沉积、磁控溅射等多种物理制备方法以及溶胶-凝胶法等化学制备方法进行制备，在合适的工艺条件下可以使其具有磁电效应。2007年，美国加州大学伯克利分校的F.Zavaliche等人用脉冲激光沉积的方法制备了钛酸钡(BaTiO3)和钴铁氧体(CoFe2O4)的复合薄膜，其中钴铁氧体(CoFe2O4)的纳米柱子镶嵌在铁酸铋(BiFeO3)的基体中形成1-3结构。他们通过原子力显微镜对样品在微区中施加磁场，并利用电场进行辅助极化，并证实了施加电场可以利用磁电效应帮助钴铁氧体克服两相之间的钉扎作用，使磁化更为完全。
发明人经过研究表明，基于磁电效应的多铁性复合薄膜可以利用电场对磁性层的矫顽场产生调制，所以可以利用结构简单的多铁性复合薄膜中的磁性层进行数据存储，通过电场利用铁电氧化物层与磁性记录层之间的耦合效应对磁性进行调制，降低写入磁头的写入磁场，使磁性存储器件数据存储的整体性能和安全性能提高，同时避免了为产生更高写入磁场而带来的技术困难，降低了能耗。
下面将参照附图详细描述根据本发明实施例的一种电场辅助磁存储器件、用于制造该存储器件的制造方法。
图1示意性地显示根据本发明一个实施例的电场辅助磁存储器件的结构。该电场辅助磁存储器件基于磁电效应的原理，采用图1中复合薄膜1所示的多层复合薄膜结构，所述复合薄膜1包括：底电极层3、铁电氧化物层4、磁性记录层5、保护层6以及工作电压发生装置8。
其中，铁电氧化物层4形成在底电极层3上；磁性记录层5设置在铁电氧化物层4上，用于进行磁性记录，铁电氧化物层4与磁性记录层5之间具有磁电耦合效应；保护层6设置在磁性记录层5上，以保护磁性记录层5；工作电压发生装置8的正负两极分别与底电极层3和磁性记录层5相连通，从而在磁性数据写入时经由底电极层3和磁性记录层5对铁电氧化物层4施加工作电场。可对所述铁电氧化物层4施加工作电场。
更具体地，参见图2所示，根据本发明更进一步的实施例，在本电场辅助磁存储器件处于通电工作状态时，工作电压发生装置8产生不大于20V的工作电压输出并作用在铁电氧化物层4上，由于磁电效应的耦合作用，使磁性记录层5的磁矫顽场Hc减小，磁畴在写入磁头9提供的写入磁场的作用下易于翻转；在本电场辅助磁存储器件处于断电保护状态时，工作电压发生装置8停止对铁电氧化物层4的作用，由于铁电氧化物层4对磁性记录层5的界面钉扎作用，使磁性记录层5的磁矫顽场Hc增大，磁畴不易发生翻转，可以有效地保护记录数据的完整性和安全性。
由此，与现有技术相比，本发明采用多铁性磁电复合薄膜作为磁存储器件的主要部分，利用磁电效应的作用，通过电场控制铁电氧化物层4与磁性记录层5之间的耦合效应对磁性进行调制，实现电场辅助磁头进行数据写入，降低了写入磁头9的写入磁场，降低能耗，也使得选用更高矫顽场磁性材料在技术上更为可行，提高了磁性存储器件数据存储的安全性。
根据本发明的一个示例，铁电氧化物层4优选但不仅限于采用钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)或锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)薄膜中的一种材料形成。
根据本发明的一个示例，磁性记录层5优选地可采用铁磁性材料形成，用于形成磁性记录层5的铁磁性材料包括但不仅限于诸如CoPt、CoCrPt、FePt等Co基或Fe基合金薄膜。
所述磁性记录层5可以采用垂直磁性记录介质。当所述存储器件应用于垂直磁性记录装置***时，磁性记录层5采用但不仅限于诸如CoCrPt-TiO2、CoPt-SiO2等垂直磁性记录介质形成。
根据本发明的一个示例，保护层6是用于保护从磁性记录层5以下的构成层的一个结构。例如，可使用类金刚石非晶碳为主要成分的薄膜。除此以外保护层6可以使用公知的本领域技术中磁性记录介质保护的任一种薄膜材料来形成。
根据本发明的一个示例，所述电场辅助磁存储器件还包括基片层2，基片层2与底电极层3相接。基片层2为具有光滑表面的非磁性衬底，比如可以为本技术领域内公知的、具有平滑表面的各种非磁性衬底。
根据本发明的一个示例，可选地，所述底电极层3使用但不仅限于诸如Pt、钌酸锶(SRO)、镍酸镧(LNO)、软磁金属合金等作为底电极层3。
当所述存储器件中的磁性记录层5采用垂直磁性记录介质时，所述底电极层3可以采用但不仅限于诸如Co合金基非晶材料、Fe基非晶材料等软磁金属材料构成，以增加磁场的强度和空间变化率。
根据本发明的一个实施例，所述的电场辅助磁存储器件，还包括设置在所述保护层上的润滑层7。润滑层7是为了减小磁头9和硬盘之间摩擦而设置的一个结构，可使用公知的本领域技术中各种高分子润滑剂构成。
根据本实施例的一个示例，优选地，铁电氧化物层4的厚度不超过2微米，磁性记录层5厚度不超过50纳米。经过发明者实验研究表明，当铁电氧化物层4与磁性记录层5的厚度分别同时满足上述关系时，通过在铁电氧化物层上施加的电场不仅可以使磁性记录层的矫顽场减小，达到辅助磁性记录信息写入的效果，而在撤销铁电氧化物层上的电场后，磁性记录层的矫顽场可以回复到原有状态，该矫顽场大小不随曾经在施加电场条件下工作的历史而发生状态转变，这一特性保证了电场辅助磁性存储在断电模式下的数据存储安全性。
根据本发明的一个实施例，还提供一种如前所述的电场辅助磁存储器件的制造方法，其包括下述步骤：形成铁电氧化物层4；在铁电氧化物层4上沉积磁性记录层5；在磁性记录层5上形成保护层6；在铁电氧化物层4的下表面涂覆电极材料以形成底电极层3；以及提供工作电压发生装置8，且将该工作电压发生装置8的正负极分别连接至底电极层3和磁性记录层5，以用于在信息写入时对铁电氧化物层4施加工作电场。
上述实施例中，可以通过物理气相沉积法、化学溶液旋涂法中的一种来形成铁电氧化物层4，通过磁控溅射法、射频溅射法、真空蒸镀法中的一种在铁电氧化物层4上沉积磁性记录层5，以及通过物理气相沉积法或者化学气相沉积法在磁性记录层5上形成保护层6。
简言之，在复合薄膜1制备工作中，通过基片清洗、基片预处理、薄膜生长、退火处理等的简单步骤，选择但不仅限于物理气相沉积法、化学气相沉积法或化学溶液旋涂法等合适方法和合适的工艺参数即可分别制备出高质量的复合薄膜中的各层材料。本发明所提及的基于磁电效应的电场辅助磁存储器件也可以通过本技术领域内公知的薄膜物理或者化学的方法进行沉积制备。
为了更好地理解本发明，下面通过实例对本发明做进一步的说明。
在钌酸锶(SRO)底电极层3和磁性记录层5之间施加从0到20V的直流工作电压，形成对铁电氧化物层4施加的工作电场。利用磁光克尔效应测试***研究了磁性记录层5的磁矫顽场随施加在铁电氧化物层4上的电压的增加而衰减的特性。定义实例样品写入磁场阈值比例为：
其中，Hc(U)为在直流工作电压U下样品的磁矫顽场Hc大小，Hc(U＝0V)为不施加直流工作电压时样品的磁矫顽场Hc大小。
实例1
使用物理气相沉积方法在钛酸锶(STO)上沉积厚度为100nm的钌酸锶(SRO)作为底电极层3，随后用同样的方法沉积200nm的钛酸钡(BTO)作为铁电氧化物层4，使用磁控溅射方法在铁电氧化物层4上沉积10nm的Fe/Ni基合金薄膜作为磁性记录层5，在该层上面有很薄的氧化物层作为保护层6。在钌酸锶(SRO)底电极层3和磁性记录层5之间施加从0到20V的直流工作电压，形成对铁电氧化物层4施加的工作电场。利用磁光克尔效应测试***研究了磁性记录层5的磁矫顽场随施加在铁电氧化物层4上的电压的增加而衰减的特性。定义实例样品写入磁场阈值比例为：
其中，Hc(U)为在直流工作电压U下样品的磁矫顽场Hc大小，Hc(U＝0V)为不施加直流工作电压时样品的磁矫顽场Hc大小，图3给出了该实例样品写入磁场阈值比例随直流工作电压变化的变化规律，该结果有效地说明在磁电耦合效应作用下，可以有效地减少写入磁场。
图4表明了在工作电压通断条件下实例样品写入磁场阈值比例的变化规律，样品交替通断+20V电压，可以观察到磁场写入阈值变化随通断电压的跟随特性，其中在施加电压时，有效降低了写入磁场，而在断开电压时，写入磁场恢复到固有模式。
尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种电场辅助磁存储器件，所述电场辅助磁存储器件具有多层复合薄膜结构，包括：
底电极层；
铁电氧化物层，所述铁电氧化物层形成在所述底电极层上；
磁性记录层，所述磁性记录层设置在所述铁电氧化物层上，用于进行磁性记录，所述铁电氧化物层与磁性记录层之间具有磁电效应的耦合作用；
保护层，所述保护层设置在所述磁性记录层上，以保护所述磁性记录层；以及
工作电压发生装置，所述工作电压发生装置在写入时通过所述底电极层和磁性记录层对所述铁电氧化物层施加电场。
2.根据权利要求1所述的电场辅助磁存储器件，其中所述铁电氧化物层由钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)或锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)中的一种材料形成。
3.根据权利要求1所述的电场辅助磁存储器件，其中所述铁电氧化物层厚度不超过2微米。
4.根据权利要求1所述的电场辅助磁存储器件，其中所述磁性记录层由铁磁性材料形成，所述铁磁性材料为水平磁性记录介质材料或者垂直磁性记录介质材料。
5.根据权利要求4所述的电场辅助磁存储器件，其中所述水平磁性记录介质材料为Co基合金或者Fe基合金，所述垂直磁性记录介质材料为CoCrPt-TiO2或CoPt-SiO2。
6.根据权利要求1所述的电场辅助磁存储器件，其中所述磁性记录层的厚度不大于50nm。
7.根据权利要求1所述的电场辅助磁存储器件，其中所述底电极层由Cu、Pt、钌酸锶、镍酸镧、软磁金属合金中的一种材料形成。
8.根据权利要求1所述的电场辅助磁存储器件，进一步包括：设置在所述保护层上的润滑层。
9.根据权利要求1所述的电场辅助磁存储器件，进一步包括：
基片层，所述基片层与所述底电极层相接。
10.根据权利要求9所述的电场辅助磁存储器件，其中所述基片层为具有光滑表面的非磁性衬底。
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