CN101145571B - 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。该存储器装置包括写轨道和列结构。写轨道形成了具有预定的磁化方向的磁畴。列结构形成在写轨道上并包括至少一个互连层和至少一个存储轨道。

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，涉及一种采用使磁材料的磁畴壁移动来写入、记录和删除数据的原理的存储器装置。
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，已经研究出了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，使得这种装置在长时间使用之后的操作过程中失去可靠性。
目前，正在进行对利用磁畴壁移动原理的新型数据存储装置的研究和开发。
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，磁线包括第一磁畴11、第二磁畴12和在第一磁畴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。磁畴壁是分隔具有不同磁化方向的磁畴的被磁化的材料上的区域。可以通过向磁材料施加磁场或电流，来使这种磁畴壁沿着被磁化的材料移动或传播(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使磁畴移动。
参照图1B，当在从第二磁畴12向第一磁畴11的方向上沿着磁线施加磁场时，磁畴壁13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向第二磁畴12的方向施加磁场时，磁畴壁13向第二磁畴12移动。
参照图1C，当沿着从第一磁畴11向第二磁畴12的方向提供外部电流时，磁畴壁13向第一磁畴11移动。当供应电流时，电子沿着与电流的方向相反的方向流动，磁畴壁13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向第一磁畴11的方向提供电流时，磁畴壁13向第二磁畴12移动。
总而言之，利用有助于磁畴移动的施加的外部磁场或电流，磁畴壁可以移动。
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，磁畴壁表示磁畴之间的边界。当电流被施加到线性磁材料时，磁畴壁的位置发生改变，以读取和写入数据，致使用简单结构来制造高度集成的装置。因此，移动磁畴壁的原理可以应用于制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)相比具有更大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研发的初级阶段，并且该装置具有相对低的数据存储密度。因此，需要一种具有为高密度装置而优化的结构的采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存储器装置，该存储器装置具有高密度数据记录容量，结构稳定，并不需物理地移动部件如使记录介质旋转，从而防止磨损和发生失效。
根据本发明的一方面，提供了一种存储器装置，该存储器装置包括：写轨道层，设置有磁畴，每个磁畴通过畴壁与相邻畴分隔开；互连层和存储轨道层的堆叠，存储轨道层设置有磁畴，磁畴的每个通过畴壁与相邻畴分隔开，其中，互连层和存储轨道层的堆叠形成在写轨道层上；其中，互连层由具有低于写轨道层的磁各向异性能量常数和存储轨道层的磁各向异性能量常数的磁各向异性能量常数的磁材料形成；其中，畴壁沿写轨道层、互连层和/或存储轨道层移动。
互连层和存储轨道层可交替地层叠。
可沿平行于、正交于或交叉于设置写轨道层的方向设置存储轨道层。
写轨道层和存储轨道层均可形成为单层结构或多层结构。
存储轨道层的长度可短于写轨道层的长度。
写轨道层和存储轨道层均可由磁各向异性能量常数值在105J/m3和107J/m3之间的磁材料形成。
写轨道层和存储轨道层均可由包含CoPt和FePt中的至少一种的材料形成。
写轨道层和存储轨道层均可为线或带的形式。例如，写轨道层和存储轨道层均可具有在1nm和100nm之间的厚度。
写轨道层和存储轨道层均可具有在10nm和500nm之间的宽度。
互连层可形成为单层结构或多层结构。
互连层可由磁各向异性能量常数在102J/m3和103J/m3之间的磁材料形成。
互连层的厚度可在10nm和100nm之间。
互连层可由NiFe和CoFe中的至少一种形成。
所述堆叠可具有交替层叠的多个互连层和多个存储轨道层，远离写轨道层形成的存储轨道层的长度大于靠近写轨道层形成的存储轨道层的长度。
附图说明
通过参照附图对本发明的示例性实施例进行详细的描述，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是示出了使磁畴壁移动的原理的透视图；
图2A是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2B是图2A中的存储器装置的侧视图；
图3A是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3B是图3A中的存储器装置的侧视图；
图4A至图4H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中的数据写入方法的透视图；
图5A至图5G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中的数据读取方法的侧视图；
图6A至图6E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中数据读取的原理的侧视图；
图7是根据本发明实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的设计的示例。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述根据本发明的采用磁畴壁移动的存储器装置，在附图中示出了本发明的示例性实施例。在附图中，为了清晰起见，夸大了层的厚度和宽度。
本发明提供了一种存储器装置，该存储器装置包括：写轨道，沿第一方向形成；存储轨道，沿第二方向形成；软磁互连层，形成在写轨道和存储轨道之间以及形成在存储轨道之间。
图2A是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2A，存储装置包括：形成有写轨道的层(以下，称作“写轨道”21)，沿第一方向设置；多个各形成有存储轨道的层(以下，称作“存储轨道”22)，沿垂直于写轨道21的第二方向设置；软磁互连层23，形成在写轨道21和最靠近写轨道2 1的存储轨道22之间以及形成在各存储轨道22之间。另外，磁阻传感器24形成在写轨道21的底部上。可选择地，磁阻传感器24可形成在写轨道21的顶部上。存储轨道22和软磁互连层23交替地堆叠在写轨道21上。形成在写轨道21的相同区域上的互连层23和存储轨道22的堆叠限定了列结构。
图2A示出了沿写轨道21的长度方向形成在写轨道21上的10个列，其中，在堆叠的结构中，一个列包含5个存储轨道22。然而，写轨道21上的列的数量不限于此，包括在每列中的存储轨道22的数量不限于此。
图2B是图2A中的存储器装置的侧视图。参照图2B，在写轨道21上交替地形成互连层23和存储轨道22。在图2B示出的实施例中，在堆叠中有5个存储轨道22，并且存储轨道22形成为沿着向上的方向逐渐变长，即，形成在堆叠中的较高部分(即，远离写轨道21)的存储轨道22比形成在堆叠中的较低部分(即，靠近写轨道21)的存储轨道22长。为了易于形成用于将电流施加到每个存储轨道22的端部上的电极(未示出)，可将存储轨道22形成为不同的长度。如果电极形成在存储轨道22的侧面，则对存储轨道22的长度没有限制。在本发明中，存储轨道22的长度可短于写轨道21的长度。原因在于根据磁畴的旋转方向将存储轨道22上的数据记录为“0”或“1”。为了读取数据，使存储轨道22的磁畴向写轨道21移动，以通过磁阻传感器24被读取。
图3A是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3A，写轨道21沿第一方向形成，多个存储轨道22沿垂直于写轨道21的第二方向形成，互连层23形成在写轨道21和最靠近写轨道21的存储轨道22之间以及各存储轨道22之间。磁阻传感器24形成在写轨道21的底部上。可选择地，磁阻传感器24可形成在写轨道21的顶部上。与图2A示出的结构相似，存储轨道22和互连层23交替地堆叠在写轨道21上，并且该堆叠沿着写轨道21的长度方向(即，图2A中的“x”方向)形成。在写轨道21的同一区域上的互连层23和存储轨道22的堆叠限定了列结构。在图3A示出的实施例中，存储轨道22和写轨道21形成交叉结构，而图2A示出了存储轨道22和写轨道21形成正交结构的实施例。大量的交替的存储轨道22和互连层23的堆叠沿写轨道21的长度方向形成。
图3B是图3A的存储器装置的侧视图。参照图3B，互连层23形成在写轨道21和一个最靠近写轨道21的存储轨道22之间以及各存储轨道22之间。与图2B中示出的结构相同，存储轨道22形成为沿着向上的方向逐渐变长。为了易于形成用于将电流施加到每个存储轨道22的末端(tip)的电极(未示出)，存储轨道22的长度不同。如果电极形成在存储轨道22的侧面，则对存储轨道22的长度没有限制。在本发明中，存储轨道22的长度可短于写轨道21的长度。
以下，将对形成根据本发明实施例的存储器装置的各层的材料进行详细的描述。
写轨道21和存储轨道22由具有高的磁各向异性能量特性的材料形成。例如，它们可由磁各向异性常数为105J/m3或更高的高Ku材料形成。在一个实施例中，所述材料的磁各向异性常数在105J/m3和107J/m3之间的范围内。具体地讲，所述材料可为具有垂直磁特性的CoPt或FePt，或者可为包括CoPt或FePt的合金。写轨道21和存储轨道22可形成为单层结构或多层结构。当形成为多层结构时，第一层可由MgO、B2O3、Ag或C形成，第一层上的第二层可由CoPt或FePt形成，之后将第一层和第二层交替地堆叠。写轨道21和存储轨道22的宽度和厚度可以根据它们被使用的环境来调节，并且不过度地限制。例如，宽度可以在10nm和500nm之间，厚度可为从1nm到100nm。
互连层23可由低Ku材料形成，该低Ku材料的磁各向异性特性低于写轨道21和存储轨道22的磁各向异性特性，并且互连层23可形成为单层结构或多层结构。当互连层23由磁各向异性常数低于103J/m3的材料形成时，它可由磁各向异性常数在102J/m3和103J/m3之间的材料形成。这种材料的具体示例包括NiFe和CoFe，但不限于此。对互连层23的厚度没有具体的限制，在一个实施例中，互连层23的厚度可在10nm和100nm之间。
磁阻传感器24可为在存储器装置(如HDD)中使用的传统的巨磁阻(GMR)传感器或者穿隧磁阻(TMR)传感器。
以下，将描述根据本发明实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的操作原理，即，数据写入和读取过程。
图4A至图4H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中的数据写入方法的透视图。
参照图4A，沿写轨道21的长度方向在写轨道21上形成了与写轨道21交叉的存储轨道22的两个堆叠。互连层23形成在写轨道21和一个最靠近写轨道21的存储轨道22之间以及各存储轨道22之间。在图4A中，示出了两列，每列包括两个存储轨道22和两个互连层23，且存储轨道22和互连层23各交替地形成在写轨道21上。写轨道21的两端和存储轨道22的端部具有形成在其上用于对其施加电流的电极E。写轨道21具有第一磁畴21a和第二磁畴21b以及在第一磁畴21a和第二磁畴21b之间的边界处的磁畴壁W，其中，第一磁畴21a和第二磁畴21b各具有相反的磁化。第一磁畴21a的磁化位于向上的方向，第二磁畴21b的磁化位于向下的方向，或者反之亦然，从而分别将数据表示为“0”和“1”。
参照图4B，从存储轨道22中选择将要在其上写入数据的轨道。例如，选择存储轨道22a，以下，该存储轨道22a称作第一数据存储轨道22a。为了使第一数据存储轨道22a磁化以具有与第一磁畴21a的磁化方向相同的磁化方向，写轨道21的任意一端上的电极E1和E2被切换为ON。第一数据存储轨道22a的电极E3被设置为OFF。
参照图4C，从电极E1向电极E2供应电流，这样电子沿从电极E2向电极E1的方向流动，如箭头所示。因此，第一磁畴21a和第二磁畴21b之间的磁畴壁W根据电子从电极E2到电极E1的流动而移动。
参照图4D，对电极E1和电极E2之间连续施加电压直到第一磁畴21a和第二磁畴21b之间的磁畴壁W穿过第一数据存储轨道22a和写轨道21之间的互连层23a。磁畴壁W向第二磁畴21b的移动导致第一磁畴21a扩大，以覆盖写轨道21的其上形成有互连层23a的区域。然后，互连层23a采用与第一磁畴21a的磁化方向相同的磁化方向。
参照图4E，电极E1被设置为OFF，电极E2和E3被设置为ON。参照图4F，从电极E3向电极E2供应电流。电子从电极E2流向电极E3，因此，第一磁畴21a穿过互连层23a，并向第一数据存储轨道22a扩大。
接下来，将描述在第一数据存储轨道22a上形成具有与写轨道21的第二磁畴21b的磁化方向相同的磁化方向的磁畴的过程。
参照图4G，电极E1和E2被设置为ON，从电极E2向电极E1供应电流。因此，电子从电极E1流向电极E2，如箭头所示，写轨道21的第一磁畴21a和第二磁畴21b之间的磁畴壁W向电极E2移动。施加电压直到第二磁畴21b扩大为覆盖写轨道21的其上形成有互连层23a的区域。这样使得互连层23a采用与第二磁畴21b的磁化方向相同的磁化方向。
参照图4H，电极E1和E3被设置为ON，电极E2被设置为OFF。从电极E3向电极E1供应电流，从而电子从电极E1流向电极E3，写轨道21的第二磁畴21b穿过互连层23a并朝向第一数据存储轨道22a延伸。结果，具有与第二磁畴21b的磁化方向相同的磁化方向的磁畴形成在第一数据存储轨道22a上。
可以使用上述方法在存储轨道22的目标区域上形成具有预定磁化方向的磁畴，这表示数据可以被存储。
图5A至图5G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中的数据读取方法的侧视图。
参照图5A，存储轨道22的堆叠形成在写轨道21上的列中并沿着写轨道21的长度方向形成，以与写轨道21交叉。互连层23形成在写轨道21和一个最靠近写轨道21放置的存储轨道22之间以及各存储轨道22之间。磁阻传感器24形成在写轨道21的底部上。图5A示出了10个列，每个列包含5个存储轨道22。用于读取磁阻传感器24的阻值的电极S1形成在磁阻传感器24上，用于对写轨道21施加电流的电极S2和S3在磁阻传感器24的两侧形成在写轨道21上。
首先，选择用于读取数据的存储轨道22。参照图5A，当选择在写轨道21右侧上的第二存储轨道22b时，从电极E1向电极E2供应电流。磁化方向相反的两个磁畴形成在写轨道21上，从电极E1向电极E2供应电流直到向电极E1移动的磁畴壁W穿过电极S2。使磁畴壁W向电极E1移动穿过电极S2的原因在于保持在写入过程中形成的在写轨道21中具有相反磁化方向的磁畴。
参照图5B至5D，形成在第二存储轨道22b的端部上的电极E4和电极S2被设置为ON。然后在电极S2和电极E4之间施加电压。当电流从电极S2流向电极E4时，电子沿从电极E4到电极S2的方向流动。因此，第二存储轨道22b的磁畴穿过互连层23并向写轨道21移动。由于没有电流从写轨道21的电极E1流向电极S2，所以位于电极E1和S2之间的磁畴没有发生变化。因此，图5A至图5D中的写轨道21的磁畴壁W的位置没有发生变化。
参照图5E和图5F，当第二存储轨道22b的磁畴接近磁阻传感器24时，电极S2被切换为OFF，电极E1被切换为ON。然后，从电极E1向电极E4供应电流。因此，电子从电极E4流向电极E1，电极E1和E4之间的磁畴向电极E1移动。当磁畴穿过磁阻传感器24时，通过电极S1读取磁阻传感器24基于磁畴的磁化方向的电阻变化，因此，可以从第二存储轨道22b读取数据。
最后，参照图5G，通过施加电压，使得电流从电极E4流向电极E1，磁畴从写轨道21向第二存储轨道22b移动。另外，当图5A至图5F示出的过程反过来时，恢复原始状态，并完成读取过程。
图6A至图6E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中数据读取的原理的视图。在图5A至图5G中，示出了从位于写轨道21上的磁阻传感器24的右边的存储轨道22读取数据的过程。这里，将描述从位于磁阻传感器24的左边的存储轨道22读取数据的过程。
参照图6A，为了读取写入在第三存储轨道22c上的数据，所述第三存储轨道22c形成在写轨道21上的磁阻传感器24的左边，电极E1和电极E2被设置为ON，并且从电极E2向电极E1供应电流。位于形成在写轨道21上的两个磁化方向相反的磁畴的边界处的磁畴壁W向电极E2移动，并且供应电流直到磁畴壁W移动到电极S3的右边。
参照图6B和图6C，电极S3和形成在第三存储轨道22c的端部上的电极E5被设置为ON。然后，从电极S3向电极E5供应电流。当电流从电极S3流向电极E5时，电子从电极E5流向电极S3。因此，第三存储轨道22c的磁畴穿过互连层23，并向写轨道21移动。由于没有电流从写轨道21的电极S3向电极E2流动，所以在电极S3和E2之间的磁畴没有发生变化，从而写轨道21的磁畴壁W的位置没有发生变化。
参照图6D，当第三存储轨道22c的磁畴到达磁阻传感器24的位置时，电极S3被设置为OFF，电极E2被设置为ON。另外，沿从电极E2向电极E5的方向供应电流。因此，电子沿从电极E5向电极E2的方向移动，并且电极E5和电极E2之间的磁畴向电极E2移动。当第三存储轨道22c的磁畴沿磁阻传感器24上方的写轨道21移动时，通过电极S1来检测磁阻传感器24基于磁畴的磁化方向的电阻的变化。
最后，参照图6E，通过施加电压，使电流从电极E5流向电极E2，磁畴从写轨道21向第三存储轨道22c移动。另外，当图6A至图6D中示出的过程反过来时，磁畴可被恢复到它们的原始状态。
如上所述，根据本发明实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置不具有在数据的写入、读取和删除的过程中物理移动的组件，仅仅是电流流动。具体地讲，与传统的包含易于磨损或失效的磁头的磁记录系统不同，根据本发明实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置不使用易于磨损或失效的物理移动的组件。
图7是根据本发明实施例的采用磁畴壁移动的存储器装置的设计的示例。参照图7，磁阻传感器24形成在写轨道21的中心部分，从而存储轨道沿写轨道21的长度方向关于中心部分处的磁阻传感器24对称地布置。这种结构仅仅是一个示例性设计，并且实施方式不限于此。如上所述，写轨道21上的列的位置、列的数量和形成在一列中的存储轨道22的数量不受限制，并且可以改变。
本发明包括下面的优点。
首先，当操作存储器装置时，与HDD中不同，组件不会机械地或物理地移动或被接触地放置，同时能够执行数据的记录和读取。因此，不发生机械磨损，使得装置适于应用在移动装置中。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小型高密度装置。
其次，产品的结构简单，使得批量生产和再现可行。
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，可以对本发明做出各种形式和细节上的改变。例如，根据本发明的存储器装置可以是这样的存储装置，比如添加有读/写头的半导体装置(如HDD)、还包括读/写电极的存储器装置(如RAM)或逻辑装置(如果需要的话)。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 (16)

1.一种存储器装置，包括：
写轨道层，设置有磁畴，每个磁畴通过畴壁与相邻畴分隔开；
互连层和存储轨道层的堆叠，存储轨道层设置有磁畴，磁畴的每个通过畴壁与相邻畴分隔开，
其中，写轨道层和存储轨道层均具有从互连层延伸的部分，所述部分不与互连层接触，
互连层和存储轨道层的堆叠形成在写轨道层上；
其中，互连层由具有低于写轨道层的磁各向异性能量常数和存储轨道层的磁各向异性能量常数的磁各向异性能量常数的磁材料形成；
其中，通过施加磁场或电流，畴壁沿写轨道层、互连层和/或存储轨道层移动。
2.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，互连层和存储轨道层交替地层叠。
3.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，沿平行于或交叉于设置写轨道层的方向设置存储轨道层。
4.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，写轨道层和存储轨道层均形成为单层结构或多层结构。
5.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，存储轨道层的长度短于写轨道层的长度。
6.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，写轨道层和存储轨道层均由磁各向异性能量常数值在105J/m3和107J/m3之间的磁材料形成。
7.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，写轨道层和存储轨道层由包含CoPt和FePt中的至少一种的材料形成。
8.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，写轨道层和存储轨道层均具有在1nm和100nm之间的厚度。
9.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，写轨道层和存储轨道层均具有在10nm和500nm之间的宽度。
10.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，互连层形成为单层结构或多层结构。
11.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，互连层由磁各向异性能量常数在102J/m3和103J/m3之间的磁材料形成。
12.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，互连层的厚度在10nm和100nm之间。
13.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，互连层由NiFe和CoFe中的至少一种形成。
14.根据权利要求1所述的存储器装置，还包括形成在写轨道层上的磁阻传感器。
15.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，所述堆叠具有交替层叠的多个互连层和多个存储轨道层，远离写轨道层形成的存储轨道层的长度大于靠近写轨道层形成的存储轨道层的长度。
16.根据权利要求1所述的存储器装置，其中，沿正交于设置写轨道层的方向设置存储轨道层。
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