CN101217181B - 磁畴数据存储装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
示例性实施例可提供使用磁畴壁移动的数据存储装置及其制造方法，所述数据存储装置包括具有磁化方向可确定的至少两个磁畴的第一磁层和/或形成在第一磁层的下表面上的第二软磁层。即使在第一磁层的弯曲区域中，磁畴壁也可被移动。
Description
技术领域
示例性实施例可涉及数据存储装置，例如，涉及这样的数据存储装置，所述数据存储装置可通过移动磁性材料中的磁畴壁来记录、存储和/或擦除数据。
背景技术
现有技术的具有高速和/或紧凑尺寸的数据存储装置已经被开发出来。通常，可用作数据存储装置的硬盘驱动器(HDD)可包括读/写头和/或一个或多个可记录数据的盘片。现有技术的HDD可存储大量数据(100千兆字节(GB)或更多)。由于磨损，现有技术的HDD的性能可被降低，并可能因此发生故障。因此，现有技术的HDD的可靠性可被降低。
现有技术的数据存储装置可利用磁性材料中的磁畴壁的移动来增加可靠性。
图1A和图1B是示出现有技术的装置中的磁畴壁的移动原理的示意图。如图1A所示，磁线可包括：第一磁畴11、第二磁畴12和/或作为第一磁畴11与第二磁畴12之间的边界的磁畴壁13。
通常，磁体内的微磁区域被称为磁畴。在磁畴中，电子的运动(即磁矩的方向)可大体一致。可通过磁性材料的形状和/或大小和/或施加到磁性材料上的外部能量来控制磁畴的大小和磁化方向。磁畴壁可以是具有不同磁化方向的磁畴的边界。可通过施加到磁性材料的磁场和/或电流来移动磁畴壁。
如图1A所示，在具有可确定的宽度和厚度的第一磁层中形成具有磁矩的多个磁畴之后，可通过从外部施加适当的磁场和/或电流来移动磁畴壁。
如图1B所示，如果外部电流沿从第一磁畴11到第二磁畴12的方向被施加到第一磁层，则磁畴壁13可向第一磁畴11移动。如果施加相反的电流，则电子可沿相反方向流动，磁畴壁13可沿与电子相同的方向移动。这就是说，磁畴壁13可沿与施加外部电流的方向相反的方向移动。如果施加从第二磁畴12到第一磁畴11的电流，则磁畴壁13可从第一磁畴11向第二磁畴12移动。因此，通过施加外部磁场或电流，磁畴壁13可移动，从而移动磁畴11和磁畴12。
磁畴壁的移动原理可应用于数据存储装置，例如HDD或非易失性RAM。可以利用这样的原理，即在具有沿特定方向磁化的磁畴和位于磁畴之间的磁畴壁的材料中，线性磁性材料的电压可根据磁畴壁的移动而变化，来创建可写入和/或读取数据(如“0”或“1”)的非易失性存储装置。可通过将电流施加到线性磁性材料来改变磁畴壁的位置以写入和/或读取数据，从而可制造具有较简单结构的较高集成的装置。通过使用磁畴壁的移动原理，可以制造具有比现有技术的FRAM、MRAM和/或PRAM的存储容量更大的存储容量的存储装置。
发明内容
示例性实施例可提供数据存储装置及制造数据存储装置的方法，其中，所述数据存储装置使用磁畴壁的移动，且/或具有可减少或防止由用作数据存储磁道的第一磁层的边缘区导致的钉扎效应(pinning effect)的结构。
示例性实施例可提供一种数据存储装置，该数据存储装置包括具有至少两个磁畴的第一磁层和第一磁层下表面上的第二软磁层，其中，所述至少两个磁畴具有磁化方向。
第二软磁层也可位于第一磁层的侧面上。
第二软磁层也可位于第一磁层的上表面上。
第一磁层可由具有105J/m3至107J/m3的磁各向异性常数的材料形成。
第一磁层可由例如Copt、CoCrPt、FePt、SmCo、TbCoFe和/或这些材料任何一种的合金形成。
第二磁层可由具有10J/m3至103J/m3的磁各向异性常数的材料形成。
第二软磁层可由例如NiFe、CoFe、CoFeNi、CoZrNb、CoTaZr和/或这些材料任何一种的合金形成。
第一磁层可具有1nm至100nm的厚度。
第二软磁层可具有1nm至50nm的厚度。
制造使用磁畴壁的移动的数据存储装置的示例性方法可包括：将第一聚合物涂在基底上；使用图案化的主模压制所述第一聚合物；和/或硬化第一聚合物。然后可从第一聚合物分离主模；可将第二软磁层和第一磁层涂在所述第一聚合物上。可使用所述主模压缩所述第二聚合物；可在所述第一磁层和所述第二聚合物上形成覆盖层。然后可通过蚀刻去除所述覆盖层和第一磁层的上部。
所述第一聚合物和第二聚合物可由例如2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、丙烯酸四氢糠酯、丙烯酸2-羟乙酯、聚醚丙烯酸酯预聚物和/或丙烯酸酯化的环氧预聚物形成。
附图说明
通过参照附图对示例性实施例进行详细描述，示例性实施例的上述和其他特征和/或优点将会更清楚，其中：
图1A和图1B是示出现有技术的装置中的磁畴壁的移动原理的示意图；
图1C是示出在现有技术的数据存储装置中移动的磁畴壁的示意图；
图2A是示出使用磁畴移动的示例性实施例的数据存储装置的剖面图；
图2B是示出使用磁畴移动的示例性实施例的数据存储装置的平面图；
图3是使用磁畴壁移动的示例性实施例的数据存储装置的等距视图；
图4A至图4I示出用于制造使用磁畴壁移动的数据存储装置的示例性方法；
图5是对两种数据存储装置的磁畴壁的移动速度进行比较的曲线图，其一是具有FePt单层结构的现有技术的数据存储装置，其二是具有包括FePt第一磁层和/或CoZrNb第二软磁层的多层结构的示例性实施例的数据存储装置，其中，两种数据存储装置均具有约400nm的长度。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例性实施例。然而，示例性实施例可以以多种不同的形式来实施，而不应理解为限于这里阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例以使本公开是彻底的和完全的，并将示例性实施例的范围充分地传达给本领域技术人员。在附图中，为了清晰起见，放大了层和区域的厚度。
应该理解的是，当元件被称作在另一组件“上”、“连接到”、“电连接到”或“结合到”另一组件时，该元件可以直接在另一组件上，直接连接、电连接或结合到另一组件，或者可以存在中间组件。相反，当元件被称作“直接”在另一组件“上”、“直接连接到”、“直接电连接到”或“直接结合到”另一组件时，不存在中间组件。如在这里使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任意组合和所有组合。
应该理解的是，尽管在这里可使用术语第一、第二、第三等来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应该受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件、组件、区域、层和/或部分与另一个元件、组件、区域、层和/或部分区分开来。例如，在不脱离示例性实施例的教导的情况下，第一元件、组件、区域、层和/或部分可被称作第二元件、组件、区域、层和/或部分。
为了便于描述，在这里可使用空间相对术语，如“在...之下”、“在...下方”、“下面的”、“在...上方”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个组件和/或特征与其它组件和/或特征的关系。应该理解的是，空间相对术语意在包含除了在附图中描述的方位之外的装置在使用或操作中的不同方位。
这里所使用的术语仅为了描述特定的示例性实施例，并不意图限制示例性实施例。如这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。还应理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件。
除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例性实施例所属领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。还应理解的是，除非这里明确定义，否则术语(诸如在通用字典中定义的术语)应该被解释为具有与相关领域的语境中它们的意思一致的意思，而不应该以理想的或者过于正式的含义来解释它们。
在使用磁畴壁的移动原理的现有技术的数据存储装置中，具有较高磁各向异性(Ku较高)的材料可以以线的形式被用作第一磁层，且/或可被用作数据存储磁道。如图1C所示，可通过使用现有技术的沉积工艺形成的第一磁层可在其表面上有弯曲。已经发现，如果弯曲密集，则可形成边缘区E。因此，在边缘区E中可产生可造成磁畴壁的移动速度显著下降的钉扎效应。已经发现，如果磁畴壁的移动速度下降，则数据的记录和/或擦除的速度可被降低。
现在将描述示例性实施例，所述示例性实施例在附图中示出，其中，相同的标号可始终表示相同的组件。
图2A是示出使用磁畴移动的示例性实施例的数据存储装置的剖面图。如图2A所示，数据存储装置可包括具有至少两个磁畴的用于记录数据的第一磁层21和/或位于第一磁层21的至少一个表面上的第二软磁层22。
图2B是示出图2A的示例性实施例的数据存储装置的平面图。如图2B所示，第二软磁层22可位于第一磁层21的侧面上，磁畴壁DW可位于磁畴D1和D2之间。在图2A和图2B中，第二软磁层22可位于第一磁层21的三个侧面上；然而，第二软磁层22也可形成于第一磁层21的一个侧面上。举例来说，第二磁层22可只位于第一磁层21的下表面上，或可位于第一磁层21的下表面和上表面上，或可包围第一磁层21。
第一磁层21可由具有较高磁各向异性常数(例如，在大约105J/m3至大约107J/m3的范围内)的材料形成，并由具有可提高磁记录密度的垂直磁化的材料制成。例如，第一磁层21可由Copt、CoCrPt、FePt、SmCo、TbCoFe和/或其他合适的材料形成。第一磁层21可具有大约1nm至大约100nm的厚度。
第二软磁层22可由具有比第一磁层21的磁各向异性常数小的磁各向异性常数的材料形成。第二软磁层22可由具有小于103J/m3(例如，大约10J/m3至大约103J/m3)的磁各向异性常数的材料形成。举例来说，第二软磁层22可由NiFe、CoFe、CoFeNi、CoZrNb、CoTaZr和/或其他合适的材料形成。第二软磁层22可具有大约1nm至大约50nm的厚度。
图3是包括使用磁畴壁移动的数据存储装置的示例性实施例的数据存储装置的示意图。
如图3所示，示例性实施例的数据存储装置可包括：写磁道31、存储和缓冲磁道32和/或存储磁道33。第一连接层34a可位于写磁道31以及存储和缓冲磁道32之间，第二连接层34b可位于存储和缓冲磁道32以及存储磁道33之间。
写磁道31可包括用于记录数据的具有不同磁化方向的至少两个磁畴。可位于存储和缓冲磁道32左侧的缓冲磁道32a可存取和/或读取记录的数据。为了读取数据，磁畴的磁化方向可被确定，缓冲磁道32a中的磁电阻装置35可完成此任务。磁电阻装置35可以是例如巨磁电阻(GMR)装置或隧道磁电阻(TMR)装置，所述GMR装置和TMR装置可具有铁磁材料的钉扎层(pinned layer)、非磁性材料(如Cu、Al2O3等)的非磁性层和/或铁磁材料的自由层。可位于存储和缓冲磁道32的右侧的存储磁道32b可存储数据。整个存储磁道33可以是存储磁道(33a、33b)。在图3中，缓冲磁道32a可与第一磁层(写磁道)31分离；然而，如果写磁道31具有大约与存储和缓冲磁道32的长度相同或比存储和缓冲磁道32长的长度，则写磁道31也可以是缓冲磁道。为了提高记录密度，可在存储磁道33上形成另外的第一磁层。
下面，将对在如图3所示的示例性实施例的数据存储装置中记录和/或读取数据的示例性方法进行描述。
首先，将描述记录数据的方法。如果具有向上磁化方向的磁畴中的数据值对应于“1”，则具有向下磁化方向的磁畴中的数据值对应于“0”。具有不同磁化方向的多个磁畴可在磁层31(写磁道)中形成，并且磁畴壁可位于磁畴之间。数据值“1”可以以下面的方式被存储在存储磁道32b中。如果施加电流使得电子从写磁道31的右端流向左端，则磁畴壁可沿电子流动的方向移动，具有向上磁化方向的磁畴可向第一连接层34a移动。可施加电流使得电子从写磁道31的右端向存储磁道32b移动。第一连接层34a下部的磁畴可通过第一连接层34a移动到存储磁道32b。其结果是，具有数据值“1”的磁畴可被存储在存储磁道32b中。
其次，将描述读取数据的方法。为了读取磁畴的磁化方向，磁畴可被移动到可附着磁电阻装置35的缓冲磁道32a。可通过缓冲磁道32a和存储磁道32b施加电流。为使电子从存储磁道32b移动到缓冲磁道32a，可沿相反方向(即，从缓冲磁道32a到存储磁道32b)施加电流。随着存储磁道32b的磁畴经过缓冲磁道32a中的磁电阻装置35，磁电阻装置35可读取存储磁道32b的每个区域的磁畴的磁化方向。因此，可读取存储在存储磁道32b中的数据值。
将参照图4A至图4I描述用于制造使用磁畴壁移动的数据存储装置的示例性方法。使用磁畴壁的移动的示例性实施例的数据存储装置可通过利用纳米压印(nano-imprinting)方法形成；然而，也可使用其他方法。
如图4A所示，在基底41上涂聚合物42。基底41可以是在现有技术的半导体装置的制造工艺中使用的基底。聚合物42可以是例如2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、丙烯酸四氢糠酯、丙烯酸2-羟乙酯、聚醚丙烯酸酯预聚物、丙烯酸酯化的环氧预聚物和/或其他合适的聚合物。主模43可安装在聚合物42上。主模43可具有不平坦的表面图案。
如图4B所示，主模43可接触聚合物42，可对主模43施加压力以将主模43的图案传送到聚合物42。因此，聚合物42可具有按照与主模43的图案的反向形成的图案。通过对聚合物42加热和/或使用UV射线辐射聚合物42，聚合物42可被硬化。如图4C所示，在聚合物42被硬化之后，可从聚合物42上分离主模43。
如图4D所示，利用溅射方法等，可将具有大约1nm到大约50nm的厚度的第二软磁性材料(例如，NiFe、CoFe、CoFeNi、CoZrNb和/或CoTaZr)涂在基底41和聚合物42上，以形成第二软磁层44。
如图4E所示，可将具有大约1nm到大约100nm的厚度的具有较高磁各向异性常数(Ku较高)的材料(例如，CoPt、CoCrPt、FePt、SmCo、TbCoFe和/或其他合适的材料)涂在第二软磁层44上，以形成第一磁层45。
如图4F所示，聚合物46(可以是例如，2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、丙烯酸四氢糠酯、丙烯酸2-羟乙酯、聚醚丙烯酸酯预聚物、丙烯酸酯化的环氧预聚物和/或其他合适的聚合物)可被涂在第一磁层45上，并且主模43可放置成与聚合物46接触，并可对聚合物46施加压力。如图4G所示，在去除主模43之后，第一磁层45的上部区域A中的聚合物46可被保留，而可通过任何合适的方法去除下部区域B中的聚合物46，以露出下部区域B的表面。可使用例如纳米压印方法硬化聚合物46。
如图4H所示，非磁性材料(如Cu、Ag、Al和/或其他非磁性材料)可形成在第一磁层45上，并可与聚合物46一起被电镀以形成覆盖层47。如图4I所示，通过蚀刻处理，下部区域B的第一磁层45可被暴露。第一磁层45的侧面和/或下部可被第二软磁层44包围。在蚀刻处理期间，非磁性覆盖层47可保护下部区域B的第一磁层45。
图5是对两种数据存储装置的磁畴壁的移动速度进行比较的曲线图，其一是具有FePt单层结构的现有技术的数据存储装置，其二是具有包括FePt第一磁层和CoZrNb第二软磁层的多层结构的示例性实施例的数据存储装置，其中，两种数据存储装置均具有约400nm的长度。
如图5所示，与由单一FePt层(单层)形成的现有技术的数据存储装置相比，示例性实施例的数据存储装置(双层)中磁畴壁在单位时间(ns)移动的距离可以更大。
使用磁畴壁的移动的示例性实施例的数据存储装置可具有以下优点。
示例性实施例可防止或减少现有技术的装置中可存在的磁畴壁经过弯曲区域时移动速度的下降。
与HDD不同，当驱动具有第一磁层和第二磁层的示例性实施例的数据存储装置时，数据可被存储和/或复制，而不需要机械地移动或接触数据存储装置的任何元件。因此，可提供紧凑尺寸、高密度并且能够以太比特范围(Tbit/in2)存储数据的数据存储装置。
由于示例性实施例的数据存储装置可具有简化的设计，因此它们可适合大规模生产。
尽管已经参照附图具体示出和描述了示例性实施例，但是应当仅以描述性的含义，而不应出于限制的目的考虑这些示例性实施例。例如，本领域技术人员应该理解，使用磁畴壁的移动的示例性实施例的数据存储装置可包括形成于第一磁层的一侧或两侧上的第二软磁层，或者第一磁层的外侧可被第二软磁层包围。因此，本公开的范围将由权利要求限定，而不是由具体描述来限定。
Claims (9)
1.一种使用磁畴壁的移动来读写数据的磁畴数据存储装置，包括：
包括多个磁畴的第一磁层，所述多个磁畴在第一磁层中是可移动的，每个所述磁畴具有磁化方向；
位于所述第一磁层下表面上的第二磁层，所述第二磁层由软磁材料形成并与所述多个磁畴直接接触。
2.如权利要求1所述的数据存储装置，其中，所述第二磁层还位于所述第一磁层的至少一个侧面上。
3.如权利要求1所述的数据存储装置，其中，所述第二磁层还位于所述第一磁层的上表面上。
4.如权利要求1所述的数据存储装置，其中，所述第一磁层由具有105J/m3至107J/m3的磁各向异性常数的材料形成。
5.如权利要求1所述的数据存储装置，其中，所述第一磁层由CoPt、CoCrPt、FePt、SmCo、TbCoFe及这些材料的合金中的至少一种材料形成。
6.如权利要求1所述的数据存储装置，其中，所述第二磁层由具有10J/m3至103J/m3的磁各向异性常数的材料形成。
7.如权利要求1所述的数据存储装置，其中，所述第二磁层由NiFe、CoFe、CoFeNi、CoZrNb、CoTaZr及这些材料的合金中的至少一种材料形成。
8.如权利要求1所述的数据存储装置，其中，所述第一磁层具有1nm至100nm的厚度。
9.如权利要求1所述的数据存储装置，其中，所述第二磁层具有1nm至50nm的厚度。
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