CN101681680A - 数据存储设备和方法 - Google Patents

Abstract

基于支持被畴壁分开的单个磁畴的磁性纳米线提供了一种串行磁性海量存储设备及相关数据的存储方法。每个数据存储纳米线沿着其长度具有多个交叉纳米线，形成构成畴壁钉扎点的交叉结。通过在场的作用下使磁畴运动而通过每个数据存储纳米线馈送数据，所述场在与交叉纳米线的对准与反对准之间交替。以畴壁的手性对数据编码，使用向上和向下手性的横向畴壁来对0和1编码。用能够使具有预定义手性的畴壁的畴成核的适当成核生成器将数据读入每个纳米线中。用能够感测手性的适当磁场传感器从每个纳米线读出数据。

Description

数据存储设备和方法

技术领域

本发明涉及数据存储，更特别但非排他性地涉及能够存储G字节的数据并能够以高密度存储数据的海量存储存储器设备。

背景技术

具有磁盘的硬盘驱动器是用于个人计算机(PC)中的海量数据存储和检索的主要技术。利用目前的技术，硬盘驱动器具有高达约100～200G字节的存储容量，但是在诸如便携式音乐播放器、视频播放器以及其它便携式多媒体设备等通常具有在30～40G字节范围内的驱动容量的一些设备、乃至低于10G字节的数字式照相机的较小设备中使用较小容量的小型单元。硬盘驱动器的基本结构的传统可以追溯到19世纪的留声机，其根本上是基于旋转盘的机械设备，所述旋转盘具有能够定位在盘上从而读取(并写入)存储在盘上(一般以圆形轨道)的数据的枢轴安装臂。诸如CD或DVD读/写设备等光学存储设备在基础层级采用类似的结构，其中使用将激光束向下发射到盘上的头来光学地访问旋转盘(其存储机制可以基于多种物理机制)。

存在一个广泛的共识，即省去硬盘驱动器及其它基于旋转盘的设备将是理想的，因为它们是个人计算机和具有几G字节海量存储要求的其它设备中最后的精确(truly)机械组件。旋转盘系统受到机械组件(诸如盘轴承)的不可靠性的影响，不能被很好地小型化，而且不能在高振动或高冲击环境中使用。全部都需要超平盘表面，头可以访问该表面。灰尘颗粒或其它外来物体对表面的任何污染或表面的翘曲或其它不平坦性都可能通过头的撞击而导致读/写失败或设备的严重损坏。此外，访问时间具有机械时间尺度(mechanical time scale)，并在PC中严重限制微处理器的性能。据估计，在PC中，微处理器的指令周期的高达三分之一可能由于等待硬盘而被浪费。

基于半导体集成电路的非易失性串行存储器继续在降低成本和增大容量方面大力发展。(连续地、即按照文件顺序存储数据并因此而适合于文件存储的串行存储器将与单独地、即按照位顺序存储数据并因此而适合于小数据段的高速访问(诸如用于处理操作)的随机存取存储器(RAM)形成对比。)串行半导体存储器通常采取某种形式的EEPROM(电可擦可编程只读存储器)。闪速存储器是精选的非易失性半导体存储器，广泛地用于诸如USB记忆棒、用于数字式照相机的CF/SD存储卡、移动电话和MP3播放器等设备中。然而，采用目前的技术，半导体存储器仍然太昂贵而不能取代硬盘驱动器。此外，此类存储器受到与有限写持续时间和写等待时间相关的问题的影响。特别地，闪速存储器在发生可靠性和性能退化之前具有达到约1000次写操作的寿命。而且，由于需要充满用于数据存储的大的容量，所以闪速存储器的写等待时间高。另外，闪速存储器具有约40Mbit/mm²(约25Gbit/in²)的存储密度限制。

具体地举例来说，目前的闪速芯片以约为15Gbit每平方英寸的面积密度存储数据。ULSI芯片的制造成本约为每平方英寸100美元，因此，闪速存储器的每位的成本约为1毫美分。相比之下，目前硬盘驱动器的制造成本约为100美元，且其随着存储容量而变化不大，因此大的PC盘驱动器、较小的膝上型计算机盘驱动器或用于数字式照相机的小形状系数驱动器的成本全部都大致相同。对于100G字节的PC盘驱动器，每位的成本因此为0.01毫美分，即比闪速存储器便宜约100倍。另一方面，用于例如2G字节的照相机的小型盘驱动器将具有约1毫美分每位的成本，即与闪速存储器相同。闪速存储器与硬盘驱动器之间的商业权衡在MP3播放器市场中最明显，在那里，较小容量的播放器是基于闪速存储器且较大容量的播放器是基于硬盘驱动器。

除每位成本之外，海量数据存储设备的另一关键参数是信息密度。盘驱动器和闪速存储器两者均在其能够存储的信息密度方面受到目前的现有光刻的重要限制。在闪速存储器的情况下，光刻限定基本存储单元；典型单元的面积约为10F²，其中F是在使用中能够通过光刻的生成而制造的最小特征尺寸(目前为90nm，很快就将是65nm)。在硬盘驱动器的情况下，使用光刻来限定写头中的间隙并因此限定可以写入的最小位尺寸，所述间隙限定写磁场的聚焦有多好。这两种技术的存储密度因此无法在不对光刻性能实现突然(且出乎意料)的改变的情况下实现数量级的飞跃。

出于多种原因，非常需要逐步增加数据存储密度。

首先，消费者和计算机程序总能够使用更多的存储器。其次，随着诸如PDA(个人数字助理)和移动电话等移动设备变得越来越先进(例如3G视频流等)，需要向非常小的设备提供通常与膝上计算机和台式计算机相关的文件存储空间的容量。这种小型化只能用极高密度的存储器来实现。第三，硬盘继续存在的唯一原因是存储数据的每位成本比半导体等价物(例如闪速或电池支持(battery-backed)的DRAM)低100倍。为了给计算机提供100GB的文件存储(典型的硬盘容量)，以目前的价格使用闪速存储器将花费约$10,000。由于光刻在短期内无法提高10～100倍，所以需要用于增大存储密度的不同解决方案。

我们的观点是用当前的光刻将存储密度增大几个数量级的唯一方法是从2维设备转向3维设备。这使得能够在不减小光刻的最小特征尺寸的情况下增加要存储的信息总量。然而，目前对于3维固态存储器可用的唯一手段仅仅是彼此上下地布置的层设备，每个层需要电气连接。因此，制造走线(route)的工艺步骤数目随着层数目的增加而增加，并且由于工艺步骤的数目部分地确定制造成本，所以每位的实际成本不会下降。

需要一种从数据存储的3维(3D)体积远程地读取和写入位以便不必对该体积的每个部分进行电气连接(及因此的工艺步骤)的方式。

磁电设备具有满足此要求的潜能，这是因为它们(i)是非易失性的且(ii)可以在其上面作用磁场，而磁场能够以一定距离产生并感测。已经提出的用于数据存储的磁电设备可以广泛地分为两类：单畴(singledomain)设备和畴壁(domain wall)设备。诸如磁性RAM存储单元等单畴设备试图将所有自旋保持在紧紧地锁在一起的设备元件之内。畴壁设备使用畴壁本身的位置操纵来表示不同的数据状态。

国际商业机器公司(IBM)的Parkin和Chen已开发了一种3D磁存储设备[1-6]。这种磁存储器基于被该集团称为数据轨道或赛道(racetrack)的铁磁纳米线。具体地说，其使用纳米线中的畴壁来沿着纳米线在多个交替定向的单畴中连续地对数据编码。该设备使用基于自旋的电子设备来写入和读取数据。电流被施加于纳米线以使磁畴在电流方向沿着轨道运动，通过读取或写入元件。通过畴壁的电流沿着电流的方向移动畴壁。随着电流通过畴，其变为“自旋极化(spin polarised)”。当此自旋极化电流跨越畴壁进入下一个畴中时，其产生自旋转矩。此自旋转矩使畴壁运动。此设计的关键突破在于自旋极化效应使得头对头和尾对尾畴壁沿着纳米线在同一方向运动，从而使由畴编码的数据在一种管线中沿着纳米线移位。然而，同样作为突破，使用此自旋极化效应同时是对基于此原理的任何设备的严格限制。这是因为沿着头对头和尾对尾畴壁的纳米线的电流感应传播需要完全受到控制，因为如果相邻的头对头和尾对尾畴壁不以近似相等的速度传播，则它们将聚集并消失，从而损坏经该畴编码的数据。例如，沿着纳米线的任何非均匀性都可能影响畴壁的传播速度，导致相邻畴壁之间的差速运动。因为此类设备从原型阶段到产品设备按比例增加，因此从制造观点出发，在此类设备中实现对传播速度的必要控制将变得越来越有挑战性。因此，至少按照我们的观点，这种设备决不可能成功地发展成商业产品。

现在将更详细地讨论对来自我们集团及其它人的畴壁设备的最新研究。已研究了纳米线中的畴壁的成核现象和传播性质[7-11]。特别地，已经显示可以实现这样的纳米结构，其中(阈值)畴壁成核场显著高于(阈值)畴壁传播场。用这种方法，可以制造具有约200奥斯特(Oe)的成核场和仅仅约3Oe的传播场的纳米线。这意味着可以在不促使附加畴壁成核的情况下使用具有在传播场与成核场之间的幅值的适当驱动场来使畴壁在纳米结构内传播。此外，可以通过施加具有大于成核场的幅值的局部场在纳米结构的局部部分中以受控方式选择性地使新畴壁成核。因此，已展示了其中以受控、稳定且可再现的方式使畴壁成核(即产生)、运动和消失的纳米结构。可以使用诸如磁光克尔效应(MOKE)设备[11]或各向异性磁阻(AMR)设备[12]等适当的传感器在纳米结构的局部部分处感测畴壁的存在(或不存在)。

我们已证明了可以如何利用畴壁来制造数据存储设备[8、10]，其中可以通过提供跟随摆线(cycloid)路径的纳米线区段来实现逻辑非门功能(NOT gate function)。通过沿着纳米线重复这些摆线，可以制造充当串行存储设备的数据存储管道。我们还论证了畴壁能够自由地传播通过与第二纳米线交叉的第一纳米线，因此在磁逻辑电路中的公共平面中的纳米线可以在不相互作用的情况下交叉[10]。

我们还示出了[8、9、10]可以使用用于钉扎畴壁的陷阱来控制纳米线中的畴壁的位置。即，我们已证明可以由纳米线拐角[9、10]和纳米线[9]中的向内或向外凹陷来提供陷阱，其中向内和向外凹陷是分别通过纳米线的局部缩窄和加宽而产生的畴壁钉扎点(pinning site)。

这些陷阱提供了阈值传播场的局部增大。通过施加大于用于纳米线的传播场且小于用于陷阱的局部传播场的场，可以使畴壁沿着线运动并到达其将保持钉扎的陷阱中。然后可以通过增大所述场超过用于陷阱的局部传播场再次将畴壁解除钉扎并使其沿着线运动。

从Hara和同事[15]那里可知畴壁陷阱的另一示例。在该研究中，由具有与纳米线相同的宽度的一对铁磁线在任一侧邻接磁性NiFe合金纳米线，其在本文中称为“门”线。门线(gate wires)在与纳米线的结(junction)处被压缩至其宽度的三分之一，使得每个门线中的畴在该纳米线结处保持被钉扎。Hara等人还注意到其纳米线中的畴壁由于所使用的纳米线的尺度而为涡旋型，即不是横向的(关于涡旋和横向畴壁类型的解释参见参考文献[14])。

附图的图1A至1D示出此类结，更具体地说是此类结的四种可能状态，这些是通过第一和第二门线中的上下畴对准的四种变化提供的。参照图1A，在平面图中示出了宽度w的纳米线10，其在沿着其延伸方向的中间位置处具有宽度也为w的邻接其侧部的第一和第二门线20和21，第一和第二门线20和21用于钉扎纳米线10的畴壁16，畴壁16以传统的方式将用指示磁矩的箭头示出的磁畴114分离。门线20和21每个在其与纳米线10的结处具有压缩部分。与不同畴壁相关的静磁荷(magnetostatic charge)积聚由用于正负磁荷的圆圈正负符号示出。图1B至1D是类似图示，每个具有两个门线中的畴的对准的不同变化。纳米线10中的畴在显示头对头畴壁在门线的结处被钉扎的任何情况下是相同的。

图1A至1D示出由Hara等人分别标记为A至D的情况。附图还在交叉处示出头对头畴壁的示例，所述交叉是Hara等人所建模的(另一可选形式将是尾对尾畴壁)。在其实验中，观察到门处的纳米线畴壁的预期钉扎效果。更有趣的是，Hara等人示出在门处的纳米线中的畴的捕获或钉扎场在很大程度上取决于纳米线两边的两个门线部分中的畴是相互平行(情况A和C)还是反平行(情况B和D)。在门线中的畴反平行的情况B和D中，观察到大的钉扎场，其约为成核场的两倍。在门线中的畴平行的情况A和C中，观察到较低的钉扎场，其相当于或低于成核场。

虽然Hara等人的文章中未说明，但实验观察合理地给出这样的事实，即与在纳米线的两边终止的两个门线畴相关的各静磁荷积聚，对于反平行的情况B和D而言将具有相同的磁荷(charge)，而对于平行的情况A和C而言将具有不同的磁荷。反平行情况将因此提供一种结，该结比其中静磁荷积聚有效地抵消的平行情况显示出更大的来自纳米线中的畴壁的排斥力或向该畴壁的吸引力。

在进一步的研究中，未出版的[16]，我们已示出如何可以使用沿着其长度具有凹陷钉扎点的纳米线作为可在室温下工作的非易失性串行存储设备，在该设备中，以磁畴将数据编码。通过使纳米线的一端处的畴成核并随后使该畴在工作场和同步电极驱动信号的作用下沿着纳米线运动，数据被串行地读到纳米线中。使用所限定的磁畴将数据编码。数据被诸如隧道结、自旋阀或霍耳效应传感器等适当的磁传感器读出纳米线的相对末端。

附图的图2示意地示出包括分别被头对头和尾对尾畴壁16和18分离的凹陷12和支撑磁畴14的此类纳米线10[16]。用通过垂直于纳米线(图中的z方向)延伸的所选电极12中的驱动电流来同步地驱动在与纳米线的延伸方向对准和反对准(anti-aligned)(图中的+y和-y)之间交替的工作场H，以便与工作场的对准和反对准同步地交替加热集合(host)头对头和尾对尾畴壁的凹陷12。通过来自被布置为邻近于凹陷的电极的焦耳加热来进行加热。加热的效果将使加热凹陷处的局部加强传播场暂时降低至低于工作场。通过使用标记为A、B和C的三组加热电极来实现头对头和尾对尾畴壁的单独驱动，所述三组加热电极被反复串行地附着于直接相邻的凹陷。在时钟周期之间，此布置意味着由经电极组之一寻址(address)的凹陷来集合所有头对头畴壁，由经电极组中的另一个寻址的凹陷来集合所有尾对尾畴壁，并且由剩下的电极组寻址的凹陷是“空的”，即不集合任何畴壁。因此，可以通过头对头和尾对尾畴壁的交替运动来使磁畴沿着纳米线运动。

我们先前提出的串行存储设备的特征在于需要将加热电极布置为接近于纳米线凹陷，因此电极的制造变成制造工艺中的重要部分。

我们先前提出的串行存储设备的另一特征是：仅在数据编码方案被选择为使得尽管设备控制器不必知道畴壁是否存在，但该控制器始终知道在给定的凹陷组(A、B或C)处存在哪个符号(头对头或尾对尾)畴壁的情况下，可进行期望的单向畴传播。这要求对可以编码的最大信息密度加以限制。具体地说，这意味着必须将三个相邻的凹陷用于每一位信息，并且必须使用两个畴壁对每位进行编码。例如，一种编码方案是由头对头畴壁(后面是跨越3个凹陷扩展的尾对尾畴壁)来对1编码，同时由跨越相同长度的任何畴壁的不存在来对0编码。纳米线的每单位长度的数据密度(就凹陷数目而言)因此受到编码方案的限制。

本发明的目的是提供一种非易失性串行存储设备，其基于用与先前在我们未出版的著作中提出的方案相比简化的寻址方案和较高的数据密度来对纳米线中的磁畴进行操作[16]。

发明内容

根据本发明，提供了一种操作与第二纳米线交叉从而形成结的第一纳米线中的畴壁的方法，包括：通过使第二纳米线中的第二纳米线与第一纳米线交叉处的磁畴与第一纳米线中的畴壁对准来将畴壁吸引到结中，以便畴壁被钉扎在该结处；以及通过使第二纳米线中的磁畴的对准反转以从结排斥畴壁，以便其变得与第一纳米线中的畴壁反对准并将其从结中射出(ejection)。

第二纳米线中的连续畴反转因此促使第一纳米线中的畴壁通过两步的吸入和喷吐动作而运动穿过所述结。这对于所有的畴壁类型、即对于头对头或尾对尾畴壁及对于不同手性的畴壁都成立。这是重要的结果，因为吸吐动作使头对头和尾对尾畴壁两者一起运动。头对头和尾对尾畴壁与相反的磁荷积聚相关这一事实与此过程无关。因此，可以用外部施加的交变磁场使畴壁运动通过结。在实际应用中，设备可能提供有任何数目的此类结，可以通过单个全局施加外部场同时对所有此类结进行计时。

根据本发明，因此提供了一种磁性存储设备，其用于连续地存储在沿着纳米线间隔开的连续钉扎点处所钉扎的磁畴中编码的数据，其中，每个钉扎点由纳米线和与之交叉的另一纳米线之间的结形成。

根据本发明的另一方面，提供了一种磁性存储设备，其中以将纳米线中的磁畴分离的畴壁的手性将数据编码。

根据本发明的又一方面，提供了一种磁性存储设备，其包括：多个数据承载纳米线，其由磁性材料制成并沿着第一方向延伸，所述数据承载纳米线与同样由磁性材料制成且沿着第二方向延伸的多个数据计时纳米线交叉，共同形成交叉结网络；数据读入部分，其被布置为邻近于数据承载纳米线的各数据读入部分且可操作用于使数据承载纳米线中的具有预定手性的畴壁的磁畴成核，其中，畴壁的手性对要存储的数据编码；磁场源，其可操作用于产生在与数据计时纳米线对准和反对准之间交替的计时场，其用于通过连续地使数据承载畴壁从其被钉扎的交叉结中释放并促使其运动到其被再次钉扎的下一个交叉结来使数据承载畴壁沿着数据承载纳米线从一个交叉结运动到所述下一个交叉结；以及数据读出部分，其被布置为邻近于数据承载纳米线的各数据读出部分并可操作用于感测所述数据读出部分中的畴壁的手性。

上述方法具有多个优点。首先，可以通过具有全局外部施加场、即计时场的设备来对数据进行计时。不需要单独钉扎点、即纳米线交叉、或成组钉扎点的寻址。这是因为由纳米线交叉与计时场的组合提供的新型计时机制对畴壁的磁荷状态、即畴壁是头对头畴壁还是尾对尾畴壁不敏感。因此可以向所有钉扎点施加相同的场以使数据逐渐运动通过纳米线钉扎点。其次，该结构可轻易地在三维空间中缩放，其中多层的纳米线网络可以被彼此上下地布置，由此提供非常高的存储密度。可以通过以下的情况来简化垂直尺度上的此可缩放性，即可以通过具有全局外部施加场的设备来对数据进行计时。第三，与先前提出的使用诸如畴长度等畴本身的性质来对数据编码的磁性纳米线串行存储器相比，以畴壁的手性对数据编码的新方法使得能够实现相对密集的数据存储。

可以提供另一磁场源，其可操作用于生成与数据承载纳米线对准的工作场，该工作场用于帮助数据承载畴壁沿着交叉结之间的数据承载纳米线运动。

所述数据读入部分优选地包括多个成核场生成器，每个数据承载纳米线一个，成核场生成器中的每一个被布置为通过在所述读入部分处在数据承载纳米线中局部地施加至少成核场的场来选择性地产生预定义手性的磁畴。

所述数据读出部分优选地包括多个磁场检测器，每个数据承载纳米线一个，磁场检测器中的每一个被布置为感测所述数据读出部分处的数据承载纳米线中的畴壁的手性。

在主要实施例中，所述数据承载纳米线的尺度被确定为使得在其中形成的畴壁是横向畴壁，对数据编码的畴壁的手性因此是向上或向下。

还可以实现一种功能设备，其中所述数据承载纳米线的尺度被确定为使得在其中形成的畴壁是涡旋畴壁。然而，这种选择尚未在实验上经过测试，且用于涡旋畴壁的交叉结的钉扎性质可能适合于、也可能不适合于本发明的应用。

在主要实施例中，所述数据计时纳米线的尺度被确定为在其中形成的畴壁是横向畴壁。

还可以实现一种功能设备，其中所述数据计时纳米线的尺度被确定为使得在其中形成的畴壁是涡旋畴壁。然而，这种选择尚未在实验上经过测试，且所述涡旋畴壁对于被钉扎在所述交叉结处的畴壁可能提供、也可能不提供必要的吸引和排斥性。

所述设备优选地还包括被布置为邻近于所述数据计时纳米线的各计时部分且可操作用于使所述数据计时纳米线中的磁畴成核的计时畴生成部分。如果需要，可以将计时畴生成部分实现为使其可操作用于使预定手性的畴壁成核。所述计时畴生成部分可以包括多个另外的成核场生成器，每个数据计时纳米线一个，另外的成核场生成器中的每一个被布置为通过在计时部分处在数据计时纳米线中局部施加至少成核场的场来选择性地产生磁畴。

通常将在衬底上制造所述设备，并将在所述衬底上布置交叉结的网络，作为由用于纳米线的磁性材料形成的磁性层，其中散布有非磁性材料的岛以便将纳米线分离。在传统光刻工艺中可以将所述纳米线结构制造为层。

可以将所述设备制造为多层、三维存储器。即，可以彼此上下地布置多个磁性层，每个磁性层由非磁性层分离。所述设备将因此具有沿垂直方向延伸的多个交叉纳米线平面。

磁性和非磁性层对可以在数据承载纳米线的一侧以台阶式方式终止以形成沿着数据计时纳米线的方向延伸的阶梯(terrace)。终止而形成每个阶梯的磁性层在任何情况下可以是最低纳米线层或最高纳米线层。如果磁性和非磁性层对在数据承载纳米线的两侧以台阶方式终止，则终止而形成每个阶梯的磁性层在一侧优选地是最低纳米线层且在另一侧是最高纳米线层，这是因为此结构有助于使用台阶式阴影掩模工艺进行制造。

根据本发明的另一方面，提供了一种将以磁畴编码的数据连续地存储在纳米线中的方法，其中，使用所述畴壁的手性来对数据编码。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于连续地存储在沿着纳米线间隔开的连续钉扎点处钉扎的磁畴中编码的数据的方法，其中，每个钉扎点由纳米线和与之交叉的另一纳米线之间的结形成。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于将以磁畴编码的数据连续地存储在纳米线中的方法，由畴壁限定每个磁畴的界限，且所述纳米线沿着其长度具有多个交叉纳米线，沿着纳米线形成多个交叉结，该方法包括：通过使纳米线的输入部分处的具有预定手性的畴壁的各磁畴成核来将数据的位流读入到纳米线中，其中，所述畴壁的手性对所述位进行编码；提供在与所述交叉纳米线对准和反对准之间交替的计时场，以通过连续地将畴壁从其被钉扎的交叉结释放并促使畴壁运动到其被再次钉扎的下一个交叉结，而使畴壁及因此使位流沿着纳米线从一个交叉结运动到所述下一个交叉结；以及通过在纳米线的输出部分处感测畴壁的手性而从纳米线读出位流。

在所附权利要求中也阐述了特定和优选方面和实施例。

定义

畴壁：磁化相对地对准的磁畴之间的界面。

横向畴壁：其中磁化沿畴壁的平面中的单个方向显著对准的畴壁。在宽度比厚度大得多的典型磁性纳米线中，磁化对准将处于与截面的长尺度对准或反对准的两种状态之一[13]。参照主磁化方向，这两种状态称为“向上”和“向下”手性或“向左”和“向右”手性的状态。横向畴壁将趋向于在较小截面的纳米线中形成[13]。

涡旋畴壁：其中磁化在畴壁处形成涡旋或螺旋模式的畴壁。在平面图中，涡旋畴壁将具有其磁化模式的顺时针方向或逆时针方向取向，这两种状态称为顺时针方向或逆时针方向手性[13]。涡旋畴壁将趋向于在较大截面的纳米线中形成[13]。

头对头畴壁：通常与正静磁荷积聚相关的相邻磁畴的“北”端或头之间的畴壁。

尾对尾畴壁：通常与负静磁荷积聚相关的相邻磁畴的“南”端或尾之间的畴壁。

纳米线：由磁化与纳米线的纵轴对准的足够形状各向异性的磁性材料制成的畴壁管道。通常由诸如坡莫合金(Ni₈₀Fe₂₀)等软磁材料制成。

畴成核场：阈值场，是在线中未存在反转畴的情况下为了在纳米线中反转磁化而需要被施加的最小场。

畴传播场：阈值场，是为使畴壁沿着纳米线运动而需要被施加的最小场。

畴壁钉扎点：沿着纳米线的位置，在该位置处，纳米线具有由于存在于该位置处的畴壁的预制(即非自然发生)能量调制而引起的局部加强传播场。

解钉扎场：使畴壁可跨越钉扎点移动(且到外面)所需的局部加强畴传播场。

工作场：具有传播场与解钉扎场之间的强度的场。

解钉扎能量：需要被施加于钉扎点以使局部加强传播场暂时降低至工作场以下的能量。

应理解的是，在大多数情况下，对诸如工作场等“场”的参考意指用于操作畴壁的在纳米线平面中具有实质分量的磁场。

附图说明

现在将参照附图仅以示例的方式来描述本发明的特定实施例，在附图中：

图1A至1D是根据现有技术的纳米线结构的示意性平面图表示；

图2是根据先前提出的设备的纳米线的示意性平面图表示；

图3A是体现本发明以示出由根据本发明的设备采用的第一基本状态的纳米线结构的示意性平面图表示；

图3B是体现本发明以示出由根据本发明的设备采用的第二基本状态的纳米线结构的示意性平面图表示；

图4A至4H示出具有“向下”手性的头对头畴壁的情况下的交叉结构的配置序列；

图5A至5H示出具有“向上”手性的头对头畴壁的情况下的交叉结构的配置序列；

图6A至6H示出具有“向下”手性的尾对尾畴壁的情况下的交叉结构的配置序列；

图7A至7H示出具有“向上”手性的尾对尾畴壁的情况下的交叉结构的配置序列；

图8A至8C示出用于与多个计时纳米线交叉的数据纳米线的三个连续定时间隔的序列；

图9是体现本发明的单层设备的示意性平面图系统级表示；

图10是在yz平面中体现本发明的存储设备的磁场源的示意性侧剖视图；

图11A是体现本发明的纳米线结构的示意性平面图表示，其示出用于使所定义手性的畴壁成核的数据读入部分；

图11B是体现本发明的纳米线结构的示意性平面图表示，其示出可选数据读入部分；

图12是体现本发明的纳米线结构的示意性平面图表示，其示出用于感测横向畴壁的手性的数据读出部分；

图13是根据本发明的另一实施例的多层存储设备的输入侧的xz平面中的示意性侧剖视图；

图14是图13的多层存储设备的输出侧的xz平面中的示意性侧剖视图；

图15A和15B是xz平面中的示意性侧剖视图，其示出多层存储设备的输入侧的制造；

图16A和16B是xz平面中的示意性侧剖视图，其示出多层存储设备的输出侧的制造；

图17A是在多层存储设备的制造工艺中使用的阴影掩模和晶片的xy平面中的示意性平面图；

图17B是与图17A所示的相同特征的xz平面中的示意性侧视图；

图18示出最初在数据纳米线的左臂中具有“向上”手性的头对头畴壁被向下通过计时纳米线的“向左”手性的横向畴壁捕捉在结处的模拟结果；以及

图19示出具有“向上”手性的头对头畴壁最初被向下通过计时纳米线的“向右”手性的横向畴壁捕捉在结处且随后从交叉中射出的模拟结果。

虽然本发明允许有各种修改和替换形式，但在附图中举例示出了特定实施例并在本文中对其进行详细描述。然而，应理解的是，附图及对其的详细说明并不意图使本发明局限于所公开的特定形式，相反，本发明将涵盖落在由随附权利要求所定义的本发明的精神和范围内的所有修改、等价物和替代。

具体实施方式

图3A是体现本发明的磁性纳米线结构的示意性平面图表示。对于轴，自始至终采用以下惯例。z轴是垂直轴，x和y轴是水平的。基本结构是由沿着x方向延伸的第一纳米线100与沿着y方向延伸的第二纳米线110形成的交叉，第一纳米线100和第二纳米线110在结115处相互交叉。

以传统方式用指示磁矩的箭头示出在纳米线100和110中集合的磁畴114。由畴壁112限定每个畴的界限。如在本领域中理解的那样，纳米线畴壁分成两类，诸如畴壁112所示的头对头畴壁及尾对尾畴壁，其意义将不言而喻。头对头畴壁承载正静磁荷且尾对尾畴壁承载负静磁荷。还示意地示出与畴壁相关的正负磁荷。因此，应理解的是纳米线100和纳米线110构成由磁性材料制成的畴壁管道，所述磁性材料具有畴的磁矩与纳米线的主轴对准的充分形状各向异性。应认识到，如通过现有技术[13、14]可理解并在下文中将更详细地描述的那样，畴壁区域中的磁性对准更复杂。

第一和第二纳米线100和110是共面的。第一和第二纳米线可以具有相同的宽度和相同的厚度，或者它们可以不同。第一纳米线100的所示部分具有畴壁112，其被示为头对头畴壁，位于在结115的左侧的交叉结构的左侧。在畴壁112的右侧的-x对准畴延伸通过结115的区域。畴壁112是横向畴壁且具有如位于畴壁112处的小箭头所指示的+y手性，在下文中自始至终将其称为“向上”手性。第二纳米线110具有沿+y方向对准的延伸通过结115的单畴。因此可以看到，第二纳米线中的畴与第一纳米线中的畴壁对准。用这种对准配置，非常有利于畴壁从纳米线的臂运动到结，在那里其将被钉扎。换言之，所述结是形成用于该对准配置中的畴壁的势阱的钉扎点。本发明人进行的实验已显示此势阱具有中等强度，略小于成核场，但大于工作场。

图3B是与图3A相同的纳米线结构的示意性平面图表示，但示出了各种畴的不同配置。图3A与3B之间的唯一差别在于横向畴壁的手性。在图3B中，畴壁112是具有-y手性的横向畴壁，在下文中自始至终将其称为“向下”手性。第二纳米线中的畴与第一纳米线中的畴壁反对准。通过这种反对准结构，本发明人进行的实验已显示结形成具有相对较高强度的势垒，其大于成核场。因此，非常有利于这种配置中的畴壁保持从示意性地示出的位置上的结的偏离。

总之，第二纳米线中的畴与第一纳米线中的畴壁之间的对准或反对准确定交叉结是构成对第一纳米线中的畴壁的(吸引)势阱还是(排斥)势垒。这种基本知识被本发明用来形成串行存储设备。现在描述可以将对此类交叉结构的操作用作串行存储设备的基础的方式。

以下四图示出第一纳米线中的畴壁的四种可能变化。这四个图依次涉及：具有“向下”手性的头对头畴壁；具有“向上”手性的头对头畴壁；具有“向下”手性的尾对尾畴壁；以及具有“向上”手性的尾对尾畴壁。

图4A至4H示出在具有“向下”手性的头对头畴壁的情况下的交叉结构的配置序列。

图4A示出与图3B相同的配置，其中第一纳米线具有在结左侧的具有“向下”手性的头对头畴壁，其与具有指向+y方向的场的第二纳米线中的畴反对准。

图4B示出沿+y方向运动并接近结的第二纳米线中的畴壁。

图4C示出此畴壁已通过结之后、现在位于结之上的情况。现在结的区域中的第二纳米线中的畴在极性上反转且具有指向-y方向的场，其现在与跟第一纳米线中的横向畴壁相关的场对准。如上文进一步讨论的那样，这意味着现在该结对于第一纳米线中的畴壁而言是势阱，如图所示，畴壁因此运动到结，在那里其被钉扎。

图4D示出具有向下手性的头对头畴壁被钉扎在结中的这种情况。第二纳米线中的移动畴壁已进一步向上通过，超出视图的范围。

图4A至4D共同显示第二纳米线中的畴从上到下的反转如何能够将向下手性的头对头畴壁吸引并钉扎、或“吸入”到结中。

现在时序在图4E至4H中进一步继续。

图4E示出第二纳米线中的下一个向上运动的另外畴壁随着其接近结而出现，其中，所述结使向下手性的头对头畴壁被钉扎在该处。

图4F示出两个畴壁相重合(coincide)的实例。这里，存在用指向东南方向、即向下和向右方向的单净场箭头来示意地示出的复杂相互作用。

图4G示出此畴壁已通过结之后、现在位于结之上的情况。现在结的区域中的第二纳米线中的畴在极性上反转且具有指向+y方向的场，其现在与跟第一纳米线中的横向畴壁相关的场反对准。因此，现在第二纳米线中的向上指向的畴场在结处形成对于第一纳米线的头对头畴壁的排斥势垒，导致该畴壁的解钉扎及其从该结中的射出。

图4H示出序列中的最后一步，其中，第二纳米线中的移动畴壁已进一步向上通过，超出视图的范围，且第一纳米线的头对头畴壁已进一步向右运动至偏离结的位置。

图4E至4H共同示出第二纳米线中的畴从下到上的反转如何能够使向下手性的头对头畴壁与结排斥，并从结射出或“吐出”。

在上文中，我们未提及第二纳米线中的畴壁的分类或手性。第二纳米线中的畴壁是横向畴壁。在所示的示例中，其沿+x方向对准，将+x方向称为“向右”手性。相反的对准将是指向-x方向的“向左”手性。对于吐出动作，+x、向右手性畴壁将趋向于使被钉扎的畴壁沿+x方向从结中射出(所示示例)。这被认为源于这样的事实，即两个畴壁在结处重合，被钉扎的畴壁的场将趋向于朝着从第二纳米线到达的畴壁的对准而旋转，促使畴壁边界有效地沿着第二纳米线中的畴壁的场指向的方向移位。+x、向右手性畴壁将因此使头对头向下手性畴壁沿+x方向移位。由于相同的原因，-x、向左手性畴壁将趋向于将被钉扎的头对头畴壁沿-x方向从结中射出(未示出)。通过以下所进一步描述的模拟，磁化随时间的演进细节显而易见。

如果需要，可以通过分别沿+x或-x方向施加单独的场分量而与第二纳米线中的畴壁的手性无关地强制实现沿+x或-x方向的射出，从而不考虑上述趋势。

另一种可能将是使第二纳米线在截面方面大于、例如宽于第一纳米线，以便它们优先地形成涡旋畴壁而不是横向畴壁。情况可能是这样，即当第二纳米线集合涡旋畴壁时，不发生第一纳米线中的横向畴壁在射出期间对第二纳米线中的畴壁手性的敏感性。

图5A至5H示出具有“向上”手性的头对头畴壁的情况下的交叉结构的配置序列。

图5A示出其中第一纳米线具有在结左侧的具有“向上”手性的头对头畴壁的配置，所述头对头畴壁与具有沿-y方向指向的场的第二纳米线中的畴反对准。

图5B示出沿+y方向运动并接近结的第二纳米线中的畴壁。

图5C示出此畴壁已通过结之后、现在位于结之上的情况。现在结的区域中的第二纳米线中的畴在极性上反转且具有指向+y方向的场，其现在与跟第一纳米线中的横向畴壁相关的场对准。如上文进一步讨论的那样，这意味着现在该结对于第一纳米线中的畴壁而言是势阱，如所示出的，畴壁因此运动到结，在那里其被钉扎。

图5D示出具有向上手性的头对头畴壁被钉扎在结中的这种情况。第二纳米线中的移动畴壁已进一步向上通过，超出视图的范围。

图5A至5D共同示出第二纳米线中的畴从下到上的反转如何能够将向上手性的头对头畴壁吸引并钉扎或“吸入”到结中。

现在时序在图5E至5H中进一步继续。

图5E示出第二纳米线中的下一个向上运动的另外畴壁随着其接近结而出现，其中，所述结使向上手性的头对头畴壁被钉扎在该处。

图5F示出两个畴壁相重合的实例。这里，存在用指向东北方向、即向上和向右方向的单净场箭头来示意地示出的复杂相互作用。被钉扎的畴壁的场因此已朝着从第二纳米线到达的向右手性横向畴壁的对准而旋转。

图5G示出此畴壁已通过结之后、现在位于结之上的情况。现在结的区域中的第二纳米线中的畴在极性上反转且具有指向-y方向的场，其现在与跟第一纳米线中的横向畴壁相关的场反对准。因此，现在第二纳米线中的向下指向的畴场在结处形成对于第一纳米线的头对头畴壁的排斥势垒，导致该畴壁的解钉扎及其从结中的射出。

图5H示出序列中的最后一步，其中，第二纳米线中的移动畴壁已进一步向上通过，超出视图的范围，且第一纳米线的头对头畴壁已进一步向右运动至偏离结的位置。

图5E至5H共同示出第二纳米线中的畴从上到下的反转如何能够使向上手性的头对头畴壁与结排斥并从结射出或“吐出”。

已描述了针对第一纳米线中的头对头畴壁的情况，现在描述针对第一纳米线中的尾对尾畴壁的类似情况。

图6A至6H示出具有“向下”手性的尾对尾畴壁的情况下的交叉结构的配置序列。

该序列直接类似于图4A至4H的序列，不同的是应注意到第二纳米线中的畴壁被示为沿-x方向取向。这将在图6E至6H的吐出阶段引起被钉扎的畴壁的向右、即+x方向的射出。

图7A至7H示出具有“向上”手性的尾对尾畴壁的情况下的交叉结构的配置序列。该序列直接类似于图5A至5H的序列，不同的是应注意到第二纳米线中的畴壁被示为沿-x方向取向。这将在图7E至7H的吐出阶段引起被钉扎的畴壁的向右、即+x方向的射出。

回顾上述四种序列，显而易见的是第二纳米线中的连续畴反转通过两步吸入和吐出动作促使第一纳米线中的横向畴壁沿+x方向穿过结。这对所有畴壁类型、即对于同对头或尾对尾畴壁及对于向上或向下手性的畴壁都成立。另外，用来引起第二纳米线中的畴反转的第二纳米线中的横向畴壁的手性对于头对头畴壁应是沿+x方向且对于尾对尾畴壁应是沿-x方向。

因此，应认识到，如果第一纳米线与多个第二纳米线交叉，则可以通过第二纳米线中的同时连续畴反转而使多个畴一起沿着第一纳米线运动。这是重要的结果，因为吸吐动作使头对头和尾对尾畴壁一起运动。头对头和尾对尾畴壁与相反的磁荷积聚相关这一事实与此过程无关。因此，可以用在+y与-y之间切换的全局交变磁场，使畴管线沿着第一纳米线在+x方向从一个结运动到另一个结。

此外，磁畴可以通过横向畴壁的手性对数据位进行编码，因此吸吐动作对第一纳米线中的横向畴壁的手性不敏感。这里，我们任意地选择向上手性来编码1而选择向下手性来编码0。

在下文中，我们将第一纳米线称为数据纳米线并将第二纳米线称为计时纳米线。此外，我们将第一纳米线中的畴壁称为数据承载畴壁，并因为第二纳米线中的畴壁用于对通过结的数据承载畴壁计时因此将第二纳米线中的畴壁称为计时畴壁。

现在参照以下各图来描述对通过数据纳米线的数据的计时。

图8A至8C示出用于与多个计时纳米线交叉的数据纳米线的三个连续定时间隔的序列。为了简化图形表示，所指示的场仅仅是计时纳米线中的畴场和数据纳米线中的数据承载畴壁中的手性场。计时纳米线中的畴场在任何给定时间以相同的方式全部对准。更具体地说，在图8A所示的第一时间，计时纳米线中的畴场向上，然后它们在图8B中被反转为向下，并在图8C中再次被反转为向上。

参照图8A，示出了六个数据承载畴壁，且所述六个数据承载畴壁承载位序列010011，此序列仅仅是作为实例任意选择的。数据承载畴壁位于每个第二结处。在图8A中为1的对准配置、吸引结具有位于该结处的数据承载畴壁，而在图8A中为0的反对准配置、排斥结具有偏离该结的数据承载畴壁。然而，如由图中的0和1的位置所示的那样，0以及1与结中的一个相关联。

当计时畴被反转而到达图8B时，0留在相同的结处，但是由于其配置已从反对转变成对准而从偏移位置运动到钉扎位置。这是吸入动作。1由于其配置已从对准变成反对准而运动到下一个结。这是吐出动作，其引起从一个结中的钉扎位置到相邻结中的偏移位置的运动。

当计时畴被再次反转而到达图8C时，1留在相同的结处，而0运动到下一个结。两次畴反转的净效果是使所有数据承载畴壁向前运动一个结。应认识到可以重复此过程以使数据沿着数据纳米线运动，通过将计时畴反转两次而引起吐出动作和吸入动作来执行每个循环。

应注意的是顺利通过计时纳米线的畴壁适当地在+x与-x手性之间交替以保证它们能够以期望的方式传播通过结。

图9是体现本发明的存储设备的示意性平面图系统级表示。该设备的主要中心区域由标记为行R₁、R₂、R₃...R_i....R_I的沿x方向相互平行地延伸的I个数据承载纳米线100和标记为列C₁、C₂、C₃...C_j....C_J的沿y方向相互平行地延伸的J个计时纳米线110的二维阵列形成，其共同形成在虚线框所指示的区域125上延伸的结格栅(junction grid)。纳米线100和110是共面的，并在结115处交叉，标记为节点N_ij以指示交叉纳米线的行号和列号。纳米线格栅被制造在一起作为单沉积层，其中例如通过诸如SiO₂等非磁性材料123的岛将用于纳米线的磁性材料分离。可以使用标准光刻技术来蚀刻例如SiO₂层中的格栅，然后例如进行Py的沉积，并剥离覆盖SiO₂岛的过量Py以完成所示的结构。每个数据承载纳米线R_i具有分别位于分别在设备的数据输入和输出侧的结格栅125的左侧和右侧的数据源或读入元件126/DS_i和数据接收器或读出元件128/DR_i。读入元件DS_i可操作用于使行R_i中的由预定手性的横向畴壁限定其界限的畴成核，所述预定手性对被读入的数据位编码。数据读入元件DS_i共同形成设备的数据读入部分127。数据读出元件DR_i可操作用于在横向畴壁被从第J个结、即格栅125中的最后一个结射出时感测其手性。数据读出元件DR_i共同形成设备的数据读出部分129。每个计时纳米线C_j具有与格栅125相邻地布置的计时源CS_j。每个计时源CS_j可操作用于使由预定手性的横向畴壁限定其界限的列C_j中的畴成核，所述预定手性被选择为保证分别用右和左手性横向畴壁对在给定行的节点N_ij处交替地出现的头对头和尾对尾畴壁进行计时。计时源CS_j共同形成设备的计时畴生成部分131。应理解的是，可使用光刻工艺在衬底上制造纳米线阵列及相关电路元件。

在图中还示出计时场H_y，其通过矩形波调制脉动以便以在计时纳米线的工作场之上、但在其成核场之下的恒定幅值在+y与-y对准之间交替。如所示，也可以提供驱动场H_x，其用于沿+x方向向数据承载畴壁施加力以保证它们只沿着预期的从左到右方向传播通过设备。如上文参照图3A所描述的，所述驱动场将具有大于数据承载纳米线的工作场且小于对准交叉、即形成势阱的交叉的解钉扎场的强度。驱动场可以是恒定的，或者如果需要，可以与计时场同步地脉动。如果数据承载畴壁自然地传播通过该结构，则可能不需要驱动场。如前所述，如果提供了驱动场，则这可以消除对控制计时纳米线中的畴壁的手性的需要。

图10是用于提供计时场的磁场源130的yz平面中的示意性侧剖视图。还示出了承载前述纳米线阵列及相关读入、读出和计时元件的衬底124。源130按照通过源的电流流动方向所确定的+y方向提供线性磁场B。所述源采用众所周知的带状线设计，其具有沿z方向延伸的元件阵列132。可以通过倒装片键合或其它技术将源130与衬底124集成。

如果设备还需要驱动场，则可以提供这种第二带状线源，其将被垂直地对准，即图10的等效图将是在x平面中沿+x方向提供线性磁场。

图11A是体现本发明的纳米线结构的示意性平面图表示，其示出用于使所定义手性的畴壁成核的数据读入部分DS_i。数据读入部分DS_i具有通过其延伸的纳米线100/R_i，并且包括具有以相对的倾斜角度横穿纳米线的部分的第一和第二电流线102和104。在线102和104与纳米线100之间存在绝缘层(未示出)。线102和104也通过适当的绝缘层(未示出)相互隔离。它们可以两者均在纳米线上面或下面，或者一个在下面而另一个在上面。参照第一电流线102，当其被驱动而承载电流I时，如所示地感生与线成直角的磁场B。如果此场导致大于被施加于纳米线的成核场的场，则在纳米线中形成畴，其具有在所示的示例中与B场分量对准、即沿+x方向(向上手性)的畴壁。这是因为线102的倾斜部分导致感生的B场具有沿+y方向的分量。类似地，线104的相对倾斜部分将导致感生另一手性的畴壁，即沿x方向(向下手性)的畴壁。在可选实施例中，使用一根线并使电流方向反转以产生不同的手性。

图11B是体现本发明的纳米线结构的示意性平面图表示，其示出用于使所定义手性的畴壁成核的可选数据读入部分DSi。数据读入部分DSi通过其延伸的纳米线100/Ri，并且包括单电流线103，所述单电流线103具有以相对于纳米线的直角、即沿y方向横穿纳米线的部分。当线103被驱动而承载电流I时，如所示地感生与线成直角的磁场B_x。如果此场大于纳米线的成核场，则在纳米线中形成畴。在不存在任何其它场的情况下，这样产生的畴壁同样可能具有向上或向下手性。然而，如果在与施加具有沿y方向的分量的另一磁场B_y的同时驱动线，则由该场分量的方向来选择畴壁的手性。例如，为此还可以使用由上述磁场源130生成的计时场，因为其沿着y方向且可以在+y与-y对准之间交替。可选地，可以提供另一个可独立驱动的磁场源以便设置由线103成核的畴壁的手性。

图12是体现本发明的纳米线结构的示意性平面图表示，其示出用于感测横向畴壁的手性的数据读出部分128/DR_i。布置在衬底124上的纳米线100在位于设备右侧的其终止区域中具有嵌入衬底124中的磁场检测器128。该磁性检测器集成在衬底的硅(或其它半导体)中。这里，应理解的是，可以将术语衬底宽松地用作下层半导体结构的总括术语(umbrella term)，所述下层半导体结构包括传统外延层、掺杂区等，而不是严格地指示未经加工的空的晶片部分。

行Ri的磁性检测器28i用于通过检测来自其相关纳米线100的末端部分的杂散场来检测任一畴壁的存在，包括其手性。应认识到，纳米线管线因此提供FIFO型串行存储器，其中数据在纳米线的一端被输入并在另一端被读出。磁性检测器可以基于本领域中已知的例如磁隧道结、自旋阀或霍尔效应(例如铋或InSb)。另一种可选方式是使磁性检测器直接与纳米线进行电接触，使得纳米线形成所谓的自旋电子设备或磁隧道结的自由层。

对提供二维存储器结构的本发明的设备的单层实施例的说明已完成。现在描述提供三维存储器结构的多层实施例。多层实施例的基本工作原理和电路元件与单层实施例相同。基本区别在于多个纳米线格栅被彼此上下地布置，由适当的绝缘材料分离。该基本工作原理的关键优点之一是设备可轻易地缩放至第三维以增大存储密度。

图13是根据本发明的另一实施例的多层存储设备的输入侧的xz平面中的示意性侧剖视图。该图示出了纳米线格栅堆叠。每个层120由被非磁性材料的岛123分离的磁性材料的纳米线格栅形成。纳米线格栅层120沿z方向被可以由与岛相同的材料制成的非磁性材料层122相互分离。作为示例，示出了三对磁性和非磁性层。如前所述，纳米线可以由坡莫合金或其它磁性材料制成。所述非磁性材料可以是任何方便地加工的材料，其具有与磁性材料和用于引起畴成核的各种连接线相容的适当电气和热绝缘性。例如，非磁性材料可以是二氧化硅(SiO₂)或氮化硅(Si₃N₄)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)或一般与设备集成相容的其它材料。

纳米线格栅层120之间的非磁性间隔层122的厚度应足够大以使相邻层中的畴之间的静磁层间耦合最小化。然而，其厚度不应比所需厚度更大，因为其将仅仅增加堆叠的总厚度而没有好处，因此使得制造更加困难。约50nm、例如30～70nm或20～80nm的非磁性层厚度可能接近于最佳。

在真实设备中，可能存在任何期望数目的纳米线格栅层120。该设备结构固有地可沿z方向缩放，这是其关键优点之一，因此可以提供许多纳米层。特别地，设想可以在设备中提供10～1000或100～1000或更多纳米线格栅层。该存储器存储容量将随着层的数目的本质上线性地比例增长，因此将影响对任何给定设备中的层数目的选择。

返回附图，很明显，每个纳米线层(及其随附覆盖非磁性层)在纳米线层的末端在其下面之前在-x方向终止，因此使纳米线层沿x方向交错以通过最高层对的连续终止形成阶梯或台阶式结构。在每个台阶上，示出了沿y方向延伸(在图的平面之外)的单金属或金属性电极126。存在形成上述数据读入单元的成核感应线的电极。为每个纳米线提供一个此类电极，因此在每个台阶上存在与每层的纳米线相同数量的电极126。每个电极将具有沿y方向在相关纳米线的末端上(所示部分)延伸的相对较短的部分和通向一般沿x方向延伸的互连的两个相对较长的部分。每个电极126的所述较短部分因此被布置在非磁性层上并在相关纳米线的端部之上。

电极126是成核场生成器的示例且可以不同地称为畴壁注入电极、数据输入电极或读入电极以指示其在设备中的功能。

现在描述数据输入功能。纳米线的成核场朝着其末端减小。因此，如果沿着在纳米线端处的局部减小的成核场之上、但在纳米线的主体中的成核场之下的纳米线的长度施加磁场，则可以在纳米线的端部产生畴壁(或畴)。

现在考虑施加于图的中心电极126₂的电流。这将趋向于在位于其下面的纳米线120₂以及在位于更下面的底部纳米线120₃中产生具有沿x方向的显著分量的环形磁场。可以将该电流选择为其在纳米线120₂中产生的磁场在纳米线端部处的局部减小成核场之上，但在纳米线的主体中的成核场之下。此外，由在电极126₂中流动的电流产生的峰值磁场不能在底部纳米线120₃中产生畴壁，这是因为鉴于底部纳米线120₃的端部将很好地与电极126₂分离这一事实，这样做将需要超过纳米线的主体的成核场。

因此，应认识到所述台阶式结构意指每个电极126_n产生局限于其相关纳米线层120_n的末端区域并因此可以通过采用由末端效应引起的局部减小成核场而只在该纳米线层中选择性地产生畴壁的场。此外，应认识到，这是在不需要借助于3D接触或寻址方案的情况下实现的。整个接触和编制方案保持平面性，即2D，但是以3D布置存储器结构、即纳米线。因此实现了3D存储器的优点，即每单位芯片面积的存储器容量增加、没有与必须使用3D接触和寻址方案相关的附加复杂性。

用其自己的电极126在输入侧单独地对每个纳米线寻址的要求可能是沿y方向的纳米线的封装密度的限制因素。例如，纳米线可能需要至少在用于引线框架的外部接触位置处间隔1～10μm或以上以提供用于输入寻址的空间。可以使用线的外张，因此间隔在引线框架处足够大，但在电极126与纳米线端部交叉处减小至纳米级间隔。

电极128及设备所需的其它电极是纯金属或金属合金(例如铝、金、银或铜)或具有金属性(例如硅化物或退化掺杂半导体)，优选地是非磁性或仅弱磁性材料。

以上文参照图11A和11B进一步描述的方式来控制在此工艺期间成核的畴壁的手性。

已描述了存储设备的数据输入侧，现在描述数据输出侧。

图14是图13的多层存储设备的输出侧的xz平面中的示意性侧剖视图。如图13所示，相同的纳米线层120和非磁性层122显而易见。如所示，纳米线层120及其相关非磁性层122以交错的方式终止，由此，在沿+x方向看时，最低层120₁和122₁首先终止。此终止促使在上面的层对120和122中的每一个下降或逐步下降终止的底层的组合厚度。这被示意性地示为以斜坡的形式沿x方向在相对有限的范围内逐步下降。层n＝2和n＝3随后在层n＝2终止之前沿x方向延伸更长的距离，促使层n＝3跨越又一斜坡而逐步下降。最后，顶层(此图中为n ＝3)终止。因此，通过最低层对的连续终止而获得阶梯。

在纳米线层120_n的每个端部下面，即在终止区中，示出了嵌入衬底124中的磁性检测器128_n。这些磁性检测器以与上文对于单层实施例所述的方式相同的方式工作，关于可以采用的检测器类型等适用相同的说明。

类似于设备的读入侧，应认识到通过单纯使用平面、即2D半导体集成法来实现用于由纳米线格栅层组成的堆叠3D存储器元件的该读出方案，其中用于不同纳米层的磁场检测器沿x方向间隔开。在除纳米线格栅层本身的制造之外的制造中不需要沿z方向的附加构造。

用每个纳米线自己的检测器在输出侧测量每个纳米线的场的要求可能是沿x方向的纳米线的封装密度的限制因素。

可以使用目前在硬盘行业中使用的数据编码算法的标准范围来将文件数据转换成物理数据，因此引入错误校正。为了减少静磁层间耦合和同一层中的平行纳米线之间的耦合(这可能降低数据的热稳定性并因此增加数据错误的概率)，理想的是应避免全部具有相同磁化方向的纳米线长块。采用本段中建议的物理编码，这意味着应避免0的大块。应将诸如格雷码等符号转换码应用于要存储的数据以解决此问题。在传统硬盘驱动器中存在类似要求，在传统硬盘驱动器中，在没有用于盘的延长长度的数据转移的情况下，检测电子装置失去锁相。以上说明也适用于单层实施例。

图15A和15B是xz平面中的示意性侧剖视图，其示出多层存储设备的输入侧的制造。

一般而言，阴影掩模134的边缘部分被用来限定纳米线和非磁性层对120、122的末端终止，并且沿x方向在每对层的沉积之间以增量的方式前移量“s”。所述前移通常将保持恒定，但是原则上，如果需要，所述前移对于不同的台阶可以是是不同的。

图15A示出其中阴影掩模边缘部分134处于第一位置的第一对纳米线和非磁性层120₁、122₁的沉积。应认识到，层120₁中的纳米线的末端将不是精确的末端，而是有可能具有由于阴影掩模边缘处的半影遮蔽或其它效果以及衬底与掩模之间的垂直间隔而引起的某些锥形。

在沉积第一对层120₁、122₁之后，使阴影掩模前移距离“s”并沉积第二对层120₂、122₂。

图15B示出第二对纳米线和非磁性层120₂、122₂的该沉积，其中阴影掩模134位于第二位置。因此将理解如何能够形成连续的许多对层以产生沿x方向具有将每个纳米线层分离的宽度为V的台阶的多层纳米线格栅。

然后制造前述数据输入电极126，但在本附图中未示出。

图16A和16B是xz平面中的示意性侧剖视图，其示出多层存储设备的输出侧的制造。图16A和16B是图15A和15B的可比较示意性侧剖视图，其示出数据承载纳米线的其它末端，即存储设备的数据输出端。这些图与图15A和15B一样在xz平面中。应理解的是，图16A示出了与图15A相同的时刻。类似地，图16B示出与图15B相同的时刻。在结构的此末端处，也使用阴影掩模边缘部分136，其可以是与用于限定输入侧的阶梯的相同阴影掩模的一部分，或者是独立的单独阴影掩模的一部分。类似于数据输入侧阴影掩模，沿+x方向在连续的层对120、122的沉积之间以增量的方式前移。前移距离被示为是沿x方向的距离“r”。如果需要，对于每个台阶其可以是不同的，但是可以设想为了方便设计，将其保持恒定。此外，步长“r”可以与“s”相同(例如，如果阴影掩模边缘部分134和136是同一掩模结构的一部分)或不同。它们可以是不同的，因为相邻数据输入电极126的x间隔的选择可以独立于数据输出端处的磁性检测器的x间隔的选择。在任何情况下，前移距离“r”限定通过数据承载纳米线从底部纳米线格栅层开始依次在每层中的连续终止而产生的斜坡之间的台阶或阶梯的x方向的范围。

图17A是在多层存储设备的制造工艺中使用的阴影掩模140和晶片142的xy平面中的示意性平面图。

图17B是与图17A中所示的相同特征的xz平面中的示意性侧视图。

掩模140通常具有圆形形状以匹配具有期望直径的晶片142的形状。掩模140具有分布在掩模140上的小孔或孔144阵列，其通常被示出为正方形，但其可以是矩形和任何其它形状，沿x方向看时具有很好地限定的前沿和后沿部分，以分别形成上文所进一步描述的掩模端部134和136。高度示意性地示出了所述孔，并且应认识到它们每个可以具有更复杂的结构以提供传统的光刻特征。如上文所进一步所描述的，掩模将在制造期间沿x方向以步进方式移动，以便使得能够通过材料流量沿z方向(如在图17中的向下箭头示意性所示)的沉积来制造设备的阶梯式结构。

为了进行制造，掩模将被安装在晶片表面之上的短距离处，例如约200微米，并在沉积期间使用线性电动机在真空中沿x方向运动。在最简单的情况下，在每个管芯的一个边缘上将存在用于数据输入的一组阶梯，而在每个管芯的另一边缘上存在用于数据输出的另一组阶梯。可以通过对硅晶片进行微加工使得在其中存在通过光刻法限定的蚀刻孔或者通过对薄金属片的传统机械加工来制造阴影掩模。可以将给定的掩模用于制造多个晶片。掩模的寿命极限将由掩模中的孔的边缘上的沉积材料的堆积确定，所述堆积导致其变粗糙。

如果期望以磁性纳米线不会穿过管芯的全宽的方式将串行数据分成扇区，则在每个管芯的阴影掩模中将需要多个孔，以允许用于每个数据扇区的输入和输出阶梯的单独集合。一旦已经沉积阶梯式的多层膜，则用在普通光刻工艺中曝光、显影并蚀刻的限定磁性纳米线的光致抗蚀剂和线路来涂敷晶片。光掩模需要限定长到足以完全横穿阶梯中的所有台阶的数据承载纳米线。

已完成对主要实施例的说明。现在讨论电路元件的适当设计参数。

每个纳米线具有长度“l”、宽度“w”、以及深度“d”。纳米线宽度通常在亚微米范围内，诸如小于0.2μm(200nm)，更特别地是，可通过传统光刻达到的宽度的量级(目前为130nm～65nm，但不断减小)。纳米线深度“d”由磁性材料的厚度限定。通常，通过诸如化学汽相淀积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、热蒸发或溅射等某种形式的沉积工艺来制造纳米线，并且其具有通常在1nm至100nm范围内的厚度。纳米线由诸如坡莫合金(Ni_xFe_y，其中x＝80±2且y＝20±2)等软磁材料制成。所述磁性材料可以是均质或非均质的。均质磁性材料包括铁磁材料或亚铁磁材料。特定示例是坡莫合金、其它镍铁合金、钴铁合金、或镍钴铁合金。进一步的示例是包含Ni、Co和Fe中的一种或多种的合金(可选地，包括Si、B、Zr、Hf、Cr、Pd、和Pt中的一种或多种)。

纳米线将被沉积在适当的衬底材料上，通常是用于与集成电路元件集成的硅(Si)或其它半导体衬底。

所述电极可以由任何适当的导体制成，包括Au、Cu、Al、Mg、Zn、Pd、Pt或这些导体或其它元素的合金、或退化掺杂半导体的合金或硅化物。

通常，我们设想具有上至芯片尺寸的长度的数据承载纳米线，所述芯片尺寸可以具有1mm至1cm，或者可能是几厘米的量级。所述计时纳米线可以具有类似的长度或者可以较短。

可以设想格栅间距减小至用现有技术的光刻处理可实现的最小值，例如现在的90nm，不久之后将达到65nm。例如，减小至两倍于纳米线宽度的格栅间距在拓扑学上是可能的，因此格栅间距可以低到光刻限制尺度的两倍。然而，光刻极限的较大倍数的格栅间距是理想的，例如是纳米宽度的至少3、4、5、6、7、8、9或10倍，以提供可能具有与计时纳米线的1000～100,000个交叉(很可能在几千与几万交叉节点之间)的数据承载纳米线。还应注意的是纳米线不必是直的。关于这一点，已知纳米线中的小于约30度的浅弯曲不会产生显著的畴壁钉扎效果。因此，例如当便于设备集成时，可以结合弯曲。

现在介绍磁性模拟建模结果，其更详细地示出参照图4至7示意地示出的“吸入”和“吐出”动作如何发生。

图18示出最初在数据纳米线的左臂中具有“向上”手性的头对头(即带正磁荷的)数据畴壁被向下通过计时纳米线的“向左”手性的尾对尾(即带负磁荷的)横向畴壁捕捉在结处的模拟结果。示出了在六个连续时间间隔处的交叉区域中的磁化的六个画面(panels)。在此图中，示出了类似于图5A～D示意性地示出的“吸入”动作，不同的是在该模拟中计时纳米线中的畴壁向下通过(而非向上)。然而，此差异与设备动作无关。在画面1中，在左臂处可看到具有“向上”手性的头对头(数据)畴壁，且在上部臂中可看到具有“向左”手性的尾对尾(计时)畴壁。在画面2中，计时畴壁到达结并吸引数据畴壁。在画面3、4和5中，数据畴壁仍在结处且计时畴壁出现在下部臂中。在画面6中，“吸入”动作完成，数据畴壁被稳定地钉扎在该结处，且计时纳米线不具有在结附近的畴壁。

图19示出具有“向上”手性的头对头(即带正磁荷的)数据畴壁最初被向下通过计时纳米线的“向右”手性的头对头(即带正磁荷的)横向畴壁捕捉在结处且随后从交叉中向右射出的模拟结果。示出了在五个连续时间间隔处的交叉区域中的磁化的五个画面。在此图中，示出了类似于图5E～H示意性地示出的“吐出”动作，不同的是在该模拟中计时纳米线中的畴壁向下通过(而非向上)。然而，此差异与设备动作无关。在画面1和2中，看到计时畴壁沿着上部臂向下运动并接近数据畴壁被钉扎的结。在画面3和4中，可看到数据畴壁的向右射出，在画面4中计时畴壁在下部臂中出现。在画面5中，“吐出”完成，可在右臂的右端看到数据畴壁，且计时畴壁从下部臂的所示部分的底部消失。

这些模拟显示对于“吸入”和“吐出”动作，与畴壁的磁荷状态和手性相关，其中需要选择计时和数据畴壁的磁荷状态和手性的适当组合，以便实现期望的“吸入”和“吐出”结果。

虽然已相当详细地描述了以上实施例，但一旦完全理解以上公开内容，许多变形和修改对于本领域的技术人员来说将变得显而易见。

例如，纳米线在设备的数据输入侧处的终止不必如上所述，作为替代，可以类似于读出结构，场发生电极被嵌入半导体衬底中或与之集成。为了通过用于层沉积的阴影掩模制造工艺来实现此目的，还优选的是将读出侧构造反转，以便读出结构变得类似于读入结构，其中磁性检测器布置在阶梯上面而不是在其下面。

此外，所述磁场生成器不必布置在磁性纳米线结构之上，即在衬底之上。作为替代，其可以被布置在衬底之下，例如接合到衬底的下侧，所述衬底可以被蚀刻掉以使得磁场生成器能够被布置得更接近于纳米线阵列。勿庸置疑，如果期望两个磁场生成器用于分别沿x和y方向产生场，则如果将一个接合在衬底之上而另一个接合在衬底之下可能是方便的。

在场发生芯片之上产生的磁场将保持强度均匀的距离大致上等于芯片本身的横向尺寸。因此，如果存在1平方厘米的场生成器芯片，则只要存储层在场生成器的表面的大约1cm以内，场强度将被保持。在这种情况下，很容易将场生成器固定在存储芯片下面。然而，不需要在给定时间激活所有纳米线。相反，可以将数据存储分成扇区，以便只有包含相关文件的扇区被移位。这使得能够将场生成器分段，从而不需要激励整个生成器，因此显著地降低的功率消耗。然而，现在生成器的有效尺寸减小了，因此场生成器芯片必须更近地接近于存储芯片。应根据扇区划分进行得有多精细来判定是否可以将场生成器设置在存储芯片下面，因此存在制造精度与功率消耗之间的权衡。

意图在于将所附权利要求解释为涵盖所有此类变形和修改及其等价物。

总之，基于支持被畴壁分开的单个磁畴的磁性纳米线提供了一种串行磁性海量存储设备及相关数据存储方法。每个数据存储纳米线沿着其长度具有多个交叉纳米线，形成构成畴壁钉扎点的交叉结。通过在场的作用下使磁畴运动而通过每个数据存储纳米线馈送数据，所述场在与交叉纳米线的对准与反对准之间交替。以畴壁的手性对数据编码，使用向上和向下手性的横向畴壁来对0和1编码。用能够使具有预定义手性的畴壁的畴成核的适当成核生成器将数据读入到每个纳米线中。用能够感测手性的适当磁场传感器从每个纳米线读出数据。

参考文献

1.US2005/094427″Magnetic shift register with shiftable magneticdomains between two regions，and method of using the same″Parkin

2.US2005/186686″Method of fabricating data tracks for use in amagnetic shift register memory device″Chen and Parkin

3.US2004/251232″Method of fabricating a shiftable magnetic shiftregister″Chen and Parkin

4.US2005/078509″System and method for reading data stored on amagnetic shift register″Parkin

5.US2004/252539″Shiftable magnetic shift register and method ofusing the same″Parkin

6.US2004/252538″System and method for writing to a magneticshift register″Parkin

7.Zhu，Allwood，Xiong，Cowburn and Gruetter：″Spatiallyresolved observation of domain-wall propagation in a submicronferromagnetic NOT-gate″App.Phys.Letts.，vol.87 062503(3pages)August 2005

8.Cowburn，Allwood，Xiong and Cooke：″Domain wall injectionand propagation in planar Permalloy nanowires″J.Appl.Phys.，vol.91，10(2002)，pages 6949-6951

9.Faulkner，Cooke，Allwood，Petit，Atkinson and Cowburn：″Artificial domain wall nanotraps in Ni81Fe19 wires″J.Appl.Phys.，vol.95(2004)，pages 6717-6719

10.D.A.Allwood，G.Xiong，C.C.Faulkner，D.Atkinson，D.Petit，and R.P.Cowburn，″Magnetic domain-wall logic″Science，vol.309(2005)，pages 1688-1692

11.D.A.Allwood，Gang Xiong，M.D.Cooke，R.P.Cowburn，″Magneto-Optical Kerr Effect analysis of magnetic nanostructures″J.Phys.D 36，2175(2003)

12.Klaui M，Vaz CAF，Rothman J，et al.″Domain wall pinning innarrow ferromagnetic ring structures probed by magnetoresistancemeasurements″Phys.Rev.Letts.90(9)：Art.No.0972027March 2003

13.McMichael RD，Donahue MJ″Head to head domain wallstructures in thin magnetic strips″IEEE Transactions on Magnetics(5)：4167-4169Part 2September 1997

14.Porter D G and Donahue M J″Velocity of Transverse DomainWall Motion Along Thin，Narrow Strips″J.Appl.Phys.95，6729(2004)

15.Hara M，Shibata J，Imura T and Otani Y″Control of domainwall pinning by a switchable magnetic gate″Applied Physics Letters，volume 89，192504(2006)

16.英国专利申请GB0609152.4

Claims (18)

1.一种磁性存储设备，包括：

多个数据承载纳米线，其由磁性材料制成且沿着第一方向延伸，所述数据承载纳米线与同样由磁性材料制成且沿着第二方向延伸的多个数据计时纳米线交叉，共同形成交叉结网络；

数据读入部分，其被布置为邻近于数据承载纳米线的各数据读入部分且可操作用于使数据承载纳米线中具有预定手性的畴壁的磁畴成核，其中，所述畴壁的手性对要存储的数据编码；

磁场源，其可操作用于生成在与数据计时纳米线对准和反对准之间交替的计时场，所述计时场用于通过连续地将数据承载畴壁从其被钉扎的交叉结中释放并促使其运动到其被再次钉扎的下一个交叉结来使所述数据承载畴壁沿着所述数据承载纳米线从一个交叉结运动到所述下一个交叉结；以及

数据读出部分，其被布置为邻近于数据承载纳米线的各数据读出部分并可操作用于感测所述数据读出部分中的畴壁的手性。

2.根据权利要求1所述的设备，包括另外的磁场源，所述另外磁场源可操作用于产生与所述数据承载纳米线对准的工作场，所述工作场用于帮助所述数据承载畴壁在交叉结之间沿着数据承载纳米线运动。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述数据读入部分包括多个成核场生成器，每个数据承载纳米线一个成核场生成器，所述成核场生成器中的每一个被布置为通过在所述读入部分处在数据承载纳米线中局部施加至少成核场的场来选择性地产生预定义手性的磁畴。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述数据读出部分包括多个磁场检测器，每个数据承载纳米线一个磁场检测器，所述磁场检测器中的每一个被布置为在所述数据读出部分处感测数据承载纳米线中的畴壁的手性。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述数据承载纳米线的尺度被确定为使得在其中形成的畴壁是横向畴壁，对数据进行编码的畴壁的手性因此是向上或向下。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，其中，所述数据计时纳米线的尺度被确定为使得在其中形成的畴壁是横向畴壁。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，其中，所述数据计时纳米线的尺度被确定为使得在其中形成的畴壁是涡旋畴壁。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，还包括计时畴生成部分，其被布置为邻近于所述数据计时纳米线的各计时部分且可操作用于使所述数据计时纳米线中的磁畴成核。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述计时畴生成部分可操作用于使预定手性的畴壁成核。

10.根据权利要求8或9所述的设备，其中，所述计时畴生成部分包括多个另外的成核场生成器，每个数据计时纳米线一个另外的成核场生成器，所述另外的成核场生成器中的每一个被布置为通过在所述计时部分处在数据计时纳米线中局部施加至少成核场的场来选择性地产生磁畴。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，还包括衬底，在所述衬底上，所述交叉结网络被布置为磁性层，所述磁性层由用于纳米线的磁性材料制成，并散布有非磁性材料岛，以将它们分开。

12.根据权利要求11所述的设备，还包括附加磁性层，该磁性层被彼此上下地布置，并通过非磁性层分开。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述磁性层和非磁性层对在所述数据承载纳米线的一侧以台阶式方式终止以形成沿着所述数据计时纳米线的方向延伸的阶梯。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，终止以形成每个阶梯的磁性层在每一种情况下都是最下面的纳米线层。

15.根据权利要求13所述的设备，其中，终止以形成每个阶梯的纳米线层在每一种情况下都是最上面的纳米线层。

16.根据权利要求12所述的设备，其中，所述磁性层和非磁性层对在所述数据承载纳米线的两侧以台阶式方式终止以形成沿着所述数据计时纳米线的方向延伸的阶梯。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，终止以形成每个阶梯的磁性层在一侧是最下面的纳米线层，而在另一侧是最上面的纳米线层。

18.一种用于将以磁畴编码的数据连续地存储在纳米线中的方法，由畴壁来限定每个磁畴的界限，并且所述纳米线沿着其长度具有多个交叉纳米线，沿着纳米线形成多个交叉结，该方法包括：

通过在纳米线的输入部分处使具有预定手性的畴壁的各磁畴成核来将数据的位流读入到纳米线中，其中，所述畴壁的手性对所述位进行编码；

提供在与所述交叉纳米线对准和反对准之间交替的计时场以通过连续地将畴壁从其被钉扎的交叉结释放并促使畴壁运动到其再次被钉扎的下一个交叉结来使畴壁及因此使位流沿着纳米线从一个交叉结运动到所述下一个交叉结；以及

通过在纳米线的输出部分处感测畴壁的手性而从纳米线读出位流。

Images