TW200814070A - Data storage device and method - Google Patents

Description

200814070 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種資料儲存元，更特定而未限定而 言，係關於能夠儲存十億元組的資料的大量儲存記憶體裝 置，並以高密度儲存資料。 【先前技術】

具有磁碟片之硬碟機為一種主流技術用於個人電腦 (PC，“Personal Computer”）上大量資料儲存與取得。利用目 前的技術，硬碟機具有最高約到1 00-200 Gb(GBytes)的儲 存容量，雖然在某些裝置中使用較小的容量小型單元，例 如可攜式音樂播放器、視訊播放器及其他可攜式多媒體裝 置，其基本上的硬碟容量範圍在30_40Gb’或甚至數位相 機的較小型裝置約為1 〇 Gb以下。硬碟機基本結構為可追 溯其繼承物回到十九世紀的留聲機’其中基本上為應用一 旋轉碟片的機械裝置，其具有一樞軸安裝的臂’可以放置 在碟片之上來讀取（及寫入）概略成圓形轨跡儲存在碟片上 的資料。光學儲存裝置’例如CD及DVD讀取/寫入裝置， 其在基本層級上採取類似的結構，其中一旋轉碟（其儲存機 制可基於多種物理機制）使用向下放射雷射光束到碟片上 之頭進行光學性存取。 一般而言其需要管理硬碟機及其他應用旋轉碟片的裝 置，其中它們在個人電腦以及其他具有多個Gb大量儲存 需求的裝置中最後一種真正機械性的組件。旋轉碟片糸統 5 200814070

會有機械組件的不可靠性（例如碟片磨損），其不能夠足夠 地小型化，並不能用於高振動性或高撞擊性環境。其所有 皆需要一種超平坦的碟片表面，可由該頭存取該表面。在 表面上由於微塵粒子或其他外來物質的污染，或是翹曲， 或是該表面的其他不平坦性會造成無法讀取/寫入，或是由 於頭的撞擊而造成該裝置的嚴重損壞。再者，存取時間為 一種機械性時間尺度，而在P C中會嚴重限制微處理器的 效能。其可估計在PC中最多可浪費一微處理器之指令循 環的三分之一來等待該硬碟機。 應用半導體積體電路之非揮發性序列記憶體會持續I 重發展降低成本及增加容量。（序列性儲存資料的序列記憶 體（即依照檔案）因此可適用於檔案儲存，其相反於隨機存 取記憶體（RAM，“Random Access Memory”），其個別儲存資 料（即依照位元），因此其適合於小型資料區段的高速存 取，例如用於處理作業）。序列半導體記憶體基本上為某種 型式的 EEPROM(電性可抹除程式化唯讀記憶體 “Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory”)。快閃記憶體為一種非揮發性半導體記憶體的選 擇’其廣泛用於像是U S B記憶棒、數位相機的c F / S D記 憶卡、行動電話及Μ P 3播放器之裝置中。但是，使用目前 的技術，半導體記憶體仍然太貴而無法取代硬碟機。再者， 這種記憶體會遇到相關於有限的寫入次數及寫入遲滯之問 題。特別是快閃記憶體在發生可靠度及效能劣化之前，其 壽命最高可到大約1 000次的寫入操作。同時，快閃記憶體 6 200814070 的寫入遲滯倀高，係因為其需要充電一大的電容用於資料 儲存此外，快閃記憶體的儲存密度限制大約3 40Mbit/W (大約 25服心2)。 疋 藉由貝隱的範例，現今的快閃晶片儲存資料的面積密 度約為母平方英吋15 Gb。ULSI晶片的製造成本約為每 方英叫> 1 0 〇盖 _ * 、 焉7^，所以快閃記憶體每位元的成本約為丨、 〇 才目-i=K 、、 、 〈現今的硬碟機，其製造成本約為1 〇 〇美元，

此並未隨箸儲存容量有太大變化，所以大的PC硬碟機、 較小的膝上型硬碟機或數位相機的小尺寸硬碟機的成本皆 大致相同。對於1〇〇 Gb的Pc硬碟機，每位元的成本因此 為〇. 0 1微分’即約比快閃記憶體便宜1 〇 〇倍。__ 力一万面， 一相機的約2 Gb之迷你磁碟機的每位元成本約丨微美分， 即相等於快閃記憶體。在快閃記憶體與硬碟機之間的商業 平衡在MP3播放器市場中最為明顯，其中較小容量的播” 器係應用快閃記憶體，而較大容量的播放器即應用硬碟機。 相同於每位元的成本，大量資料儲存 丨丁农1之另一個關 鍵參數為資訊的密度。硬碟機及快閃記憶體 曰β Μ訊率择 的重要限制，其中它們由現今最先進的微影來儲疒。& 快閃記憶體，微影定義了基本儲存胞；_血沾子。例如 積為广其中F為目前使用中的微影世^大約面 nm，很快為65 nm)所產生的最小特徵尺寸。對目別為9〇 微影用於定義讀寫頭中的縫隙，其定義了該 〈硬碟機， 焦如何，因此定義了可被寫入之最小位元X二入磁場的聚 、。因此這兩 7 200814070 種技術之儲存密度若是 也又右疋微衫效肖b，又有突然（及無法預期）的 變化之下，及益、主女丄t # 久無去有大小等級的跳躍。 貝料儲存密度中階段性的增加由於數個原因而特別需 體。弟—，因為像是PDA(個人數位助理，‘卞⑴㈣！叫㈣

及行動電話這樣的行動较置更為先進（例如3G 二：：朴其需要使得相關於膝上型及桌上型電腦之檔案 古京# 、成為非韦小的裝置。此小型化僅能用非常 间擒度的記憶體來造# 货一 . 由馬所… 一堅持硬碟機的唯-理 為所儲存肓料之每位元成本比㈣ (例如恤閂+ . , J干夺餸要低1 00倍 纪.… 電的DRAM)。為了提供電腦使用快閃 二體有刚Gb的檔案儲存元(一典型 的價格大約成本為_萬美元。因為在短期 技術到10,倍，其需要可以增加儲存密度微影 方案。 吻讦在度之不同的解決 :們的觀點要利用目前微影技術增加大小等級 許計： 為脫離二維裝置而成為三維^置。此可允 寸子貝訊的總量增加，而不會降低微影的最小特徵尺 但疋’目前可使用之三維固態記憶體的唯一# 單地將萝罟妯比上 J八馬間 造。、置彼此堆疊，而每一層需要電氣連接。因此在製 =序中製程步驟的數目隨著疊層數目而增加，因為該製 、本部份由製程步驟的數目所決定，每個位告 本將不會降低。 貝際成 8 200814070 其需要一種方式可自一三維（3D)的資料儲存體積遠端 地讀取及寫入位元’所以電氣連接（及其製程步驟）並不必 要成為該體積的每一部份。

電磁裝置具有滿足此需求的可能性，因為它們是（i)非 揮發性，及（U)可由磁場的作用，其可在一距離之外產生及 感應。已經提出用於資料儲存的電磁裝置廣義地可分成兩 個類別··單一領域裝置及領域牆裝置。單一領域裝置，例 如磁性RAM胞，其嘗試維持所有的旋轉在緊密結合的一 裝置元件内。領域牆裝置藉由操縱領域牆本身的位置來表 示不同的資料狀態。 一種3D磁性記憶體裝置已由international Business Machines 公司（IBM)的 Parkin 及 Chen 開發出來[1-6]。此 磁性s己憶體裝置係應用鐵磁性奈米線，其由此團隊稱為資 料執跡或歷程軌跡。特別是其使用奈米線中的領域牆，在 沿者該專奈米線複數交替導向的單一領域中序列地編碼資 料。該裝置使用應用旋轉性的電子性寫入及讀取資料。施 加電μ到奈米線上，並在電流方向上沿著跡線移動該等磁 性領域，傳送讀取或寫入電流。傳送橫跨該領域牆之電流 用於在電流流動的方向上移動該領域牆。當電流通過一領 域時，其成為「旋轉極性化」。當此旋轉極性化的電流橫跨 一領域牆傳送到下一個領域，其發展一旋轉力矩。此旋轉 力矩移動該領域牆。此設計的突破點為該旋轉極性化效應 允許頭對頭g n 呼及尾對尾領域牆沿著該奈米線在相同方向上移 動，以在一插其> t 稷s路中沿著該奈米線偏移由該領域編碼的資 9 200814070 料。但是，同構b 7疋種犬破，使用此旋轉極性化效應同時 也成為應用此屌搜 ’、之任何裝置的嚴重限制。此係因為沿著 該頭對頭及尾對度 '尾領域牆的奈比線之電流感應的傳遞需要 在完整的控制之、 、 ’因為如果鄰近的頭對頭及尾對尾領域 膽並未以近半相榮 寺的速率傳遞，它們將會在一起而消滅， 藉以破壞了由兮堂 Μ寻領域編碼的資料。例如，沿著該奈米線 任何的不均白Μ i 、 1 _衫響該等領域牆之傳遞速率而造成相鄰 領域牆之間的差異化運動。A 了可在這種裝置中達到對傳 遞速率必要的控制，從製造的角度而言造成更大的挑戰， 因為每種裝置可由雛型階段提升到一種生產裝置。因此， 至 > 從我們的角度，無法確定此種裝置可成功地開發成— 種商用產品。 目前來自我們團隊及其他人對於領域牆裝置的研究將 在此4詳細討論。在奈米線上領域牆之成核化及傳遞特性已 經過研究[7·11 ]。特別是其顯示出可製成的奈米結構中，（闕 值）領域牆成核化場域明顯高於（閥值）領域牆傳遞場域。利 用此方法’奈米線可使用約200 Oersted (Oe)的成核化場 域’及僅約3 〇e之傳遞場域來製造。此代表領域牆可在奈 米結構中使用適當的驅動場域傳遞，其大小在傳遞場域與 成核化場域之間，而不會使得額外的領域牆成核化。再者， 新的領域牆可用一種控制方式選擇化地成核化在奈米結構 之局部部份，其係藉由施加具有大於成核化場域之大小的 局部場域。因此，奈米結構已經展示出領域牆利用一受控、 穩定及可重製之方法被成核化（即產生）、移動及消滅。領 10 200814070 域牆的存在（或缺少）可使用一適當的感測器在該奈米結構 的局部部份中感測到，例如一光磁Kerr效應（M〇KE， “Magneto-optical Kerr Effect，，）裝置[u]或是一非等向性 磁阻（AMR，“Anisotropic Magneto Resistanee”）裝置 η 2]

我們已呈現出如何利用領域牆製造一資料儲存裝置 [8、10]，其中藉由提供一遵循一擺線路徑的一奈米線區段 來達到一邏輯Ν0Τ閘極功能。藉由沿著一奈米線重複這些 擺線，可製造-資料儲存管路做為_序列記憶體裝置。 我們已给進一步顯示[8、9]在一奈米線上一領域牆的. 位置可使用做為栓接該領域牆的彎管來控制。—尖角做為 一種型式的f管，並使用一楔形凹槽做為另一種型式的彎 管m。這些彎管提供了閥值傳遞場域中局部性的增加。藉 1 σ 、；不米線之傳遞場域及小於該彎管的局部傳遞場 二J ^ 7員域牆可沿著該線移動，並進入將維持栓接 地、譬&中然後該領域牆可解栓，並藉由增加該場域超 過該彎管的局部傳遞場域的場域再次沿著該線移動。 心土；我們先蝻的研究，本發明的目的在於提供一種 應用能夠縮放而適合古 吹ϋ + 阿w度大《儲存的領域牆操縱的一種 贾料儲存裝置及其方法。 【發明内容】 根 基板； 其中於 據本發明俜挺 '、誕供一種序列資料儲存裝置，包含：一 在基板上配署JLV _ 成二維的磁性材料之奈米線的陣列’ y方向上延伸，廿， 波在X及Z方向上彼此區隔的奈米 11 200814070 線形成奈米線層的堆疊，立中 著其長度支援i —、 奈米線形成使其能夠沿 隔，其中該等太+磁性領域，該磁性領域由領域牆所區 〒該荨奈米線具有複數領域牆，A 栓接處所；一磁p、s 腾其，口著匕們的長度 磁％源，其配置成產生一择作 藉由在沿著該太 — 刼作场域，其能夠 一組件之動作，土 ^反對準之間變化的 等領域牆；及一后4入扭 者以不未線而移動該 反栓接H至" 信號產生器，其配置成交替施加- 到栓接處所，其主控頭對頭 _場域組件與第一方：貝域牆與 藉由該頭對頭及尸…、 反對準做協調，藉以 毛毛領域牆之交替移動沿著該夺t繞卢 第-方向上移動磁性領域。 …卡線在 利用此裝詈，次# π # t 能量脈衝向下移動Γ合外部磁場與局部施加的 不米線，例如熱能。該架構可在 ζ方向（出平面方向）上幾 一 所儲存資訊的非常密隹的3:二調整大小，错此允許實現 吊嶺市的3D網路。所有的資料讀取與寫 、可利用單一覆蓋層及利用cm〇S(互補金屬氧化 半 ^體，C〇mplementary Meul 〇χί& 或其他積體電路基準的基極位準來執行，戶斤以其不需要製 #夕層的電氣連接到不同的z堆疊儲存層。重要地是，該 夕重儲存層白可使用相同光罩或其他微影設計，所以可由 單微〜步驟製作·，不同的層可由一超晶格式的沉積所 疋義，即一磁性材料層在一非磁性材料層之後沉積做為一 間隔層，並在另一磁性材料層之後，其所有皆利用一單一 微影曝光製程。這兩點代表製造成本不會隨著層數增加而 12

200814070 增加；所有這些變化為沉積所耗用的時間，其僅加入 的邊際成本。 該領域牆栓接處所可用多種方式產生，例如藉由 該等奈米線之尺寸變化，例如在該等奈米線之局部窄 寬化特徵，以產生向内或向外的凹槽。 較佳地是提供複數成核化場域產生器，對每一奈 一個，其配置成藉由局部施加至少該成核化場域的一 在一讀入位置處選擇性地在該等奈米線產生新的磁 域。 該裝置可具有一資料輸入側，其由延伸於X方向 複數平臺形成，並由每個奈米線層之段差式終端所形 終止而在該輸入側形成每個平臺的奈米線層在每個例 皆可為最底層的奈米線層或最上層的奈米線層。 較佳地是提供複數磁場偵測器，每條奈米線一個 配置來測量在讀出位置處該等奈米線的磁場。 該裝置可具有一資料輸出側，其由延伸於X方向 複數平臺形成，並由每個奈米線層之段差式終端所形 終止而在該輸出側形成每條平臺的奈米線層在每個例 皆可為最底層的奈米線層或最上層的奈米線層。 為了簡化製造，較佳地是在該輸出側的終端型態 於在該輸入側的終端型態，所以一側具有最上層的終 而另一側為最底層的終端。再者，為了簡化製造，亦 地是如果相關於相同奈米線層之資料輸入及輸出側平 y方向上具有相同的程度。 .—少 沿著 化或 米線 場域 性領 上的 成。 子中 ，其 上的 成。 子中 互補 端， 較佳 臺在 13

200814070 本發明另； 徒供一種方法以序列性儲存在一奈米線 磁性領域中編碼的警 ’旳貝枓’母個磁性領域由一頭對頭領 及一尾對尾領域m 、 織騰所包圍，且該等奈米線在沿著其長 有複數領域牆於垃走 二^ 1接處所，該方法包含：（&)施加一操 域，其具有一組件在沿著該奈米線於一第一方向上對 反對準之間變化·另 ，及（b)父替施加一反栓接能量到栓 盥==控頭對頭及尾對尾領域牆同步化該操作場域 /、u第方向之對準與反對準，所以該等磁性領域藉 替移動該頭對頭及尾對尾領域牆沿著該奈米線在第一 上移動。 該方法k佳地是另包含：藉由局部施加至少該 泵域❺场域在一讀入位置處在該奈米線上產生新 性領域:而執行步驟⑷及（b)時，藉此序列性地將資料 在該第方向上的奈米線中。該讀入位置較佳地是 ’丁、米線之^端部份處，其係相關於該等領域牆在第一 上移動遠離的該奈米線端。 該方法較佳地是另包含：（d)重複地測量在一讀出 處該奈米線之磁場，而在執行步驟0)及（b)時，藉此序 自第一方向上的奈米線讀出資料。該讀出位置較佳地 該奈米線之終端部份處，其係相關於該等領域牆在第 向上移動朝向該奈米線端。 其亦可能在需要時於倒反方向上的奈米線中偏 料。因此，該方法可另包含： (e)交替施加一反栓接能量到栓接處所，其主 上一 域牆 度具 作場 準及 接處 組件 由交 方向 成核 的磁 讀入 在該 方向 位置 列地 是在 〜方 移資 頡對 14 200814070 頭及尾對尾領域牆同步化該操作場域組件與該第一方向之 反對準與對準，所以該等磁性領域藉由交替移動該頭對頭 及尾對尾領域牆沿著該奈米線在第二方向上移動，其相對 於該第一方向。 ^在另一具體實施例中，該資料可由其輸入的相同端被 讀出，藉此提供一種FILO(先進後出，“First in Last 〇ut”） 儲存方法，其相反於FIF0(先進先出“〜以in First 〇ut”） 儲存方法，其係當資料輸人於該奈米線的_端，而在另— 端輸出時來達成。意即，該方法可另包含：⑴重複地測量 在-讀出位置處該奈米線之磁場’而在執行步驟⑷及⑷ 時，藉此序列地自第二方向上的夺乎 丄旧不木線§買出資料。在此例 中’該項出位置係在一奈米後總，甘& # 丁、本深^，其為該領域牆朝向第二 方向上移動。 目前用於施加該反栓；接能|# 搔犯里的較佳實施為藉由電氣感 應加熱，其基本上使用通過靠近該 彳接處所處的加熱電極 進行，雖然原理上可使用其他都，处Θ ，、他尘式的能I，例如光學。 根據本發明另一態樣，其提供一锸 杈供種方法使用磁性材料 的奈米線注入、儲存及讀出序列資料治 夕』貝枓肌，其能夠支援沿著 它們長度之單-磁性領域，其中該等奈米線具有沿著 度的複數領域牆栓接處所，形成的每個奈米線使得—領 牆在作用具有一強度而位在該奈米線傳 7 不深I 1辱遞場域與位在該 栓接處所處一局部增強的傳遞場域之間的一在 你作％域之下 沿著該奈米線為活動式，該方法白人· 万去包含·施加該操作場域以 在相鄰栓接場所之間造成領域牆在該奈米線上可活動，其 15 200814070 中該奈米線於施加該操作、 τ、· #丄 域時被啟動（並被關閉，否則声 非揮發性），错由在該注入 ' 3 . 夏處施加至少該成核化場域2 一局部磁場來在一注入位置 1 ~選擇性地注入領域牆到該力 米線中，其中該領域牆或由^ v ° 田匕們所定義的磁性領域用於智 瑪資料：沿著該奈米'線移動^主人的領域遠離該注入仿 置，其由一栓接處所以一段差的方式到下-個，其係藉, 施加反栓接能量到該等栓接處所中選出的處所，而啟動1

該奈米線，藉以暫時地降低在該選擇的栓接處所處局部片 強的傳遞場域到低於該操作場域；並測量在該奈米線上3 少一讀取位置處該奈米線的磁場，以讀取由該等領域或嘲 域赌編碼的資料。 特殊性及較佳的態樣與具體實施例亦在下附申請專矛 範圍中提出。 定義 領域牆·_··相反對準的磁性化之磁性領域之間的一介面。 K复复:一領域牆中磁性化顯著地對準於該領域 牆之平面上一單一方向。在一典型的磁性奈米線中，其寬 度（水平尺寸）要比其厚度（垂直尺寸）要大，該磁性化對準 將為與該橫剖面之長尺寸對準或反對準的兩個狀態之一 [13 ]。這兩個狀態稱之為「上」及「下」對掌性狀態。橫 向領域牆將要形成在較小的橫剖面奈米線上[1 3 ]。 域牆:一領域牆中該磁性化在該領域牆處形成 一渦流或螺旋樣式。渦流領域牆從平面角度在它們的磁性 化樣式上具有順時針或逆時針方向’這兩個狀態稱之為順 16 200814070

時針或逆時針對掌性[1 3 ]。消& A 嗎机領域牆將要形成在較大的 橫剖面奈米線上Π 3 ]。 頭對頭領域牆_ :一领域賊十丄 义腸在相鄰磁性領域之「北」端 或頭端之間，其通常相關於—不& 正静磁電荷累積。 尾對尾領域牆· 一領域脖卢上 <職在相鄰磁性領域之「南」端 或尾端之間，其通常相關於_ & y ^ 負靜磁電荷累積。 奈米線••一領域牆導線总 ^ 深s ’其由具有充份形狀非等向 性的磁性材料製成，其磁性化 化對準於該奈米線之縱軸。基 本上由軟磁性材料製成， ^ 例如兩導磁合金（Permalloy) (Ni8GFe2〇)。基本上其寬度 馬夂微米範圍，例如小於0 · 2 μιη (200 nm)，更特別地是糸 _ 為了由習用微影達到之層級的寬度 (目前為90 nm ,很快到6 ^ m 但更為降低）。 里域成場域：_ 閾俊場域，盆為如果在該線上未 存在倒轉領域時要倒轉在一 、 沾η , π α 锝在 ，丁、米線上的磁性化所需要施加 的取小場域。 動-一閥值場填，其為要沿著-奈米線移 域牆所需要施加的最小場域。 :沿箸一奈米線之位置，其中該奈米 領域牆二2強的傳遞場域，其係由存在於該位置處一 ^41預製(即不是自然發生)之調變所造成。 橫跨局部增強的領域傳遞場域’其需要造成 )栓接處所的領域牆可以活動。 接場一種場域，其強度在該傳遞場域與該反栓 17 200814070 所暫時性降低該局部增 需要的能量。 部窄化所產生之領域牆 施加到一栓接處 強的傳遞場域到低於該操作場域所 : —種由一奈米線局 栓接處所。 &米線局部加寬所產生之領域牆 —種由 栓接處所。 : 一向内或向外凹槽。

卜，、將可瞭解到所稱的「場域」（field)，例如操作場域 等在大邛伤的例子中為一種磁場，其在用於操縱領域牆 之奈米線的平面上具有一基本組件。 【實施方式】 第1圖為沿著具有複數向内凹槽1 2之奈米線1 〇之一 側的一部份之示意圖。所示的奈米線丨〇相當地長，細線延 伸的方向我們定義為y方向，不僅是在本圖中，也適用於 本發明一具體實施例的以下實施方式當中。該奈米線之長 度‘1’（在y方向上）比所示的部份要長，且寬度為‘w，（在χ 方向上）。該奈米線寬度基本上在次微米範圍，例如小於 〇·2μιη (200 nm)，更特別地是為可由習用微影達到之層級 的寬度（目前為1 3 0 nm，很快到-6 5 nm，但更為降低）。當 然該奈米線亦在由奈米線的沉積所定義的z方向之深度為 ‘ d’。基本上，該等奈米線由某種沉積製程所製造，例如化 學氣相沉積（C V D，“ C h e m i c a 1 V a ρ 〇 u r D e ρ 〇 s i t i ο η’’）、物理氣 相沉積（PVD，“Physical Vapour Deposition”）、熱蒸鏡或賤 18 200814070 鐘，且其厚度基本上範11在1 nm到1GG nm。該奈 軟磁性材料製成，例如高導磁合金（NixFey，】 y = 20土2)。該磁性材料可為均勻性或非均勻性。均 材料包括強磁性材料及鐵氧體磁性材料。#定範例 磁合金1他鎳鐵合金、銘鐵合金、或鎳鉛鐵合金 的範例為含有鎳、鉛及鐵中—或多種材料，選擇性 石夕、蝴、錘、給、鉻、紀及鉬中一或多種材料。 該等奈米線將被沉積在- ϋ當的基板材料上， 為石夕⑻）或其他可整合於積體電路元件之半導體基4 如圖所示，一些向内凹槽I)概略上為具有一二 藉以局部地降低奈米線寬度。概言之，該等凹槽的 改變，我們將凹槽的特徵做為其面積(在χγ平面上 電位阻障（或井）的能量大小預期可大致隨著凹槽面 =大】概略上，所示有八個凹槽，且它們顯示成 隔。雖然所有的凹槽顯示成位在該奈米線的一側， 在該線的任一側，例如它們可沿著該線交替地位在 另一側上。再者，該寬度調變可發生在該奈米線的 邊以上，例如位在相反的側面上。例如巧合性限制 會產生一沙漏或肋狀結構。在一記憶體裝置中，沿 線將有大量的凹槽，基本上在數百或數千。由下述 解到’可儲存在一線上的最大數目之資料位元基本 凹槽的數目線性地改變，所以凹槽的數目將可根擄 的"己隐體規格來選擇。凹槽之間的距離基本上為彈 裝置僅需要該凹槽間距離足夠地短，以保證僅控制 米線由 【=80土 2, 勻磁性 為雨導 。另外 可包括 基本上 S. ° 。角形， 形狀可 )，因為 積而改 均勻間 這些可 一側及 一個側 或放寬 著每條 將可瞭 上隨著 該裝置 性。該 單一磁 19 實：："’其很…著 200814070 性領域-” I險的目的，其很方 具有規則的凹槽間隔，如所示。規則性凹"： 在-給定料強度“槽之間的領域料遞^ 地定義。概言之，我們相太 4 ^ ]又心不、木線的長度最高发 其層級可為1 mm到1 1 司1㈣，或可能為數_ 藝之微影製程狀綠阱处、去以t 巧 狀&所忐達到的凹槽間隔， nm，很快地將成為65 nm 凹槽之奈米線，最有…t供具有大約心。 、 取有可能在數千及數萬個凹 可注意到該等奈米線需 ^ ^ 罟疋直的。在此雊搂* 在奈米線中小於約3。度之陰影彎折不會二 牆栓接效應。因此彎折可被加 ：海 合時。 W如田此可韻 一見在將4論概略所示之在該奈米 母個磁性領域14所示 、、斤具矣 性力矩。每個領域由在xy平二碩’以習用” 所包圍’並梭接到—凹槽，伸的—領域 奈米線的y極限值處 ―疋 該奈米線, 有兩種型式，頭^ 藝中可知，該“ 義自己即可說明。頭 、毛對尾湏域牆 尾領域牆承# g 7員域牆承載正靜磁電f '牖承栽負靜磁電荷H 冤士 線，而該等尾對尸μ °χ專碩對頭領域牆食 正及負電荷亦概略地例示—虛線。相⑽ b其可瞭解該奈米線 充份的形狀非笪^_ 苒成一領域牆管路， h向性之魏材㈣成，其中㈣ 該奈米線 亦將保證 將可良好 I片大小， 由現今技 前為 90 -100,000 間。其亦 ，其已知 著的領域 於裝置整 之領域。 式指示磁 ，1 6、1 8 一端處該 線領域牆 18，其意 ，而尾對 示為一實 領域牆之 其由具有 領域之磁 20 200814070 矩對準於該奈米線之y軸。其將可瞭解到在領域牆之區域 中磁性對準將比先前技藝要更為複雜[1 3、1 4]。

每個凹槽以重複的順序標示為A、B或C。此為一位 址標示，以指示具有共用加熱電極之位址。該“A”凹槽共 同以第一群組的加熱電極處理，該“B”凹槽共同以第二群 組的加熱電極處理，而“ C ”凹槽共同以第三群組的加熱電 極處理。這些電極為金屬（例如鋁、金或銅）或金屬化（例如 矽化物或退化摻雜的半導體），其可用於在需要時由阻抗 (焦耳，“Joule”）加熱來局部地加熱該等凹槽。它們的目的 將可在具體實施本發明一記憶體裝置之内容中瞭解。 單向性領域傳遞僅在如果選擇資料編碼方式時才有可 能，使得該裝置控制器永遠知道於一給定群組的凹槽（A、 B或C)處存在那一個符號（頭對頭或尾對尾）領域牆，雖然 該控制器並不需要知道是否存在一領域牆。此需求對於可 被編碼的資訊之最大密度加入一限制。特別是其代表對於 每一個單一位元的資訊必須使用三個相鄰的凹槽，且該兩 個領域牆必須用於編碼每個位元。因此一種可能的方案為 一個 1由一頭對頭領域牆編碼，其在一尾對尾領域牆之 後，擴展橫跨三個凹槽，而一個〇由不存在橫跨相同長度 之任何領域牆被編碼。 一旦已經選擇了物理編碼，目前用於硬碟機產業的資 料編碼演算法之標準範圍可以用於轉換該檔案資料到物理 資料，藉此引入錯誤修正。特別是為了降低靜磁層間耦合 (其可降低資料的熱穩定性，並藉此增加資料錯誤的機 21 200814070 率），其需要必須避免長區塊的奈米線皆具有相同的磁性化 方向。假設在此段落中建議該物理編碼，此代表必須避免 大區塊的〇。符號轉換碼，像是Gray碼，其必須套用到要 儲存的資料來解決此問題。類似的需求存在於習用的硬碟 機，其中如杲對於碟片的延伸長度沒有資料轉移，該偵測 電子即會喪失相位鎖定。

第2A圖為具有單一向内凹槽之奈米線的掃描電子顯 微鏡（SEM)影像。 第2B圖為具有向外凹槽之奈米線的掃描電子顯微鏡 (SEM)影像。在此方面，其可注意到向外凹槽亦會造成一 人工領域牆栓接處所。對於向外凹槽的例子，這些由一奈 米線的局部寬化所產生，其在此範例中形成一電位井。該 範例奈米線之寬度 w=l 20 nm，d = 8 nm ’其具有一向外凹 槽，高度為8nm，寬度為120 nm。 更一般性的向内及向外凹槽為一通用類別的人工領域 牆·栓接處所之範例。其可預期栓接將可由在該領域牆能量 中任何充份的調變所產生，其為沿著一線上之位置的函 數，因為一調變會形成一電位井或阻障，兩者皆用於栓接 一領域牆。 有兩種相競爭的機制會造成一結構性變化，例如一凹 槽會造成能量變化。第一種僅為該領域牆在該（向内）凹槽 位置處較短。領域牆能量正比於其長度’所以此將會產生 一能量井。其競爭趨勢為該局部形狀非等向性在該向内凹 槽附近較強，因為該厚度對寬度比（z/x比例）鑑於形狀非等 22 200814070 比前者重 其有 向1·生大致正比於該厚度對寬度比的事實而較大 能量正比於該非等向性之平方根，所以此為產。1¾甸域騰 障。實驗指示後者效應對於現今製造之凹肖4〜電位陡 要’但對於其他凹槽形狀及其他人工栓接處;要比前1 可能前者將比較重要。 裂武， 本發月人已經建立出向内凹槽根據領域牆 形成電位井啖阻隆 4 、 f掌性可 3阻p羊類似地，本發明人已經建立屮 槽根據領蝻掉沾m A m向外凹 、、域的對旱性可形成電位井或阻障。該凹槽為一 阻Ρ早或-井並非由該凹槽結構單獨決t，而是由該凹槽結 構（例如其為一向内或向外凹槽）及該領域牆的性質（即頭 對頭或尾對尾）及其對掌性（即是否該領域牆被視為向上或 向下對準彳買向領域牆）的組合所決定。其可注意到本發明人 目#尚未進行對於渦流領域牆的實驗，所以並不知道電位 變化與渴流領域牆之對掌性之間關係的性質。建立是否該 等检接處所為電位井或阻障之決定因素為是否該橫向領域 牆的磁性化係對準（即平行）或反對準（即反平行）於該凹槽 附近的磁性化’其亦根據該領域牆通過該凹槽的傳遞方向。 除了凹槽之外’在領域牆能量中局部調變可由任何其 他I田的方法產生，例如離子植入或局部合金化。再者， 我們並未調變奈米線厚度來產生凹槽，且此亦有可能性。 現在將參妝著y方向施加於該奈米線的一線性磁場 Hy的效應討論該奈米線的磁性特性。 第3A圖、第3B圖及第3C圖所示為第2B圖中用於 領域牆傳遞之具有一向外凹槽的範例性奈米線的一磁性光 23 200814070

學Kerr效應（MOKE)所量測的遲滯曲線：在該線的主直線區段（第3A圖）；通過該凹槽（第3B圖、·议 n /，及在該 末端處一新領域牆的成核化（第3 C圖）。每個圖形緣出 (y方向）Kerr信號相對於〇ersted (〇e)單位 r的磁場

Hy。在每個圖形右方例示所 MOKE裝置允許在沿著 測磁性特性。在遠離任何凹 其可看出該等領域牆為活動 在凹槽區域（第3A圖）中，需 一領域牆移動通過該凹槽。 米線的末端，需要約70 Oe 磁性領域（及相關的領域牆） 對於一範例奈米線，這 在以下項目之間：該領域成 在該線中並未存在倒轉領域 一奈米線上的磁性化；該領 須疼加的場域以沿著一奈米 使得領域牆活動橫跨（及離 3 A圖）之局部增強的領域傳 它處稱之為反栓接場域。 對於一些具有向内及向 積了類似的結果。 第4A圖所示為對於每 具有向内凹槽的範例性結構 量測之奈米線特性的架構 該奈米線上不同的區域局 槽的線之平直區段（第3 B 性，具有場域約2 〇 〇 e， 要一約40 〇e的較大場域 最後，第3C圖所示為在 的又更大的場域以產生一 〇 些結果因此顯示了清楚的 核化場域（第3 c圖），其為 時’必須施加的場域以倒 域傳遞場域（第3B圖），其 線移動一領域牆；及所需 開）一凹槽或其他栓接處^ 遞場域，此為我們在此文 外凹槽的範例性奈米線已 個傳遞場域（開放圓形）之 中的切換場域相對於凹挿 體之 線的 縱向 強度 〇 部量 圖）， 然而 來使 該奈 新的 區隔 如果 轉在 為必 要來 斤（第 件中 經累 一些 大小 24 200814070 的圖形，及成核化場域（方形）的兩個量測，其中該開放方 形為量測具有沿著該奈米線直接施加一場域的成核化場 域’即精確地對準y方向，而該填滿的方形為具有施加了 與y方向有一些角度之場域的成核化場域的量測。該等凹 槽根據在xy平面上它們的面積來分類。 第4B圖所示為對於每一個傳遞場域（開放圓形），成核 化場域X(開放方形）及成核化場域（填滿方形）之一些具有 向外凹槽之範例性結構的切換場域相對於凹槽大小的圖 形。 由這些結果可以看出有一個凹槽面積的範圍，其中在 成核化與傳遞場域之間有明顯的差異。此在具體實施本發 明的一裝置的内容中很明顯，因為其顯示出領域牆可沿著 一奈米線傳遞，而不需要藉由施加高於該傳遞場域但低於 該成核化場域的適當強度的一場域來產生新的領域。 現在已經說明了形成具體實施本發明一記憶體裝置之 疋件的一奈米線的基本元件，現在將說明一奈米線記憶體 元件的操作原理。 第5圖所示為第1圖之奈米線在連續丨4個時段由上到 下之示意圖。 該奈米線由一父替線性磁場作用，其中時間間隔為任 意，但假設該磁場周期性交替，並為四分之一周期。該場 域方向+y或-y顯示為圖面中往右側方向。該裝置操作基本 上為非同步，所以不需I $ ^ 而要任何參照到實際時間的周期性。 所有需要的是在所不的時間库列φ A ^ π间斤列中知加適當的交替場域， 25 200814070 其可為周期性或非周 71期性。在施加該場域之間會消耗县 周期，因為該等領域為# — s肖耗長 一為穩疋，即該記憶體裝置為非揮發括 其為在該裝置中使用 汊用的一特徵。 其另可注意到—妹& 知轉磁場可產生所想要的交替磁場 其中該場域方向將右益 在母半個周期成為相反。但是，一交 線性磁場比^一旋轉場祕 w野域更方便地產生’且更相容於一非 步裝置。 在不同的時段中，選擇性地利用一電流啟動不同的 熱電極群組A、B、C’以造成該等凹槽的局部加熱，此 填滿已加熱的凹槽杳# til …、旧W信求描述。該啟動為重複a、c、b，在 中為一個非啟動的時間間隔。 現在將說明局部加熱的角色。其已經建立了在一凹 處局部增強傳遞場域可由局部加熱該凹槽來降低。因此 過施加一暫時電流脈衝到相關的加熱電極來施加熱能到 凹槽將暫時性地降低該凹槽的局部增強的傳遞場域。 現在，如果施加一磁場，在未加熱之下，其強度低 該等凹槽之局部增強傳遞場域，但高於當加熱該等0槽 的場域，則該加熱的效果為反栓接位在該等凹槽處的領 牆。此場域亦將低於該反栓接場域，即在未加熱時該場 中領域牆將可活動橫跨該等凹槽。此場域在此文件中x Z 之為運作場域，並使用反栓接能量代表需要施加到一栓 處所的能量，以暫時地降低該局部增強傳遞場域到低= 操作場域。此能量在加熱電極時為熱能，但原理上可以 慮其他型式的能量注入，例如光學。電流感應的礤場亦 的

替 同 加 由 其 槽 透 該 於 時 域 域 稱 接 該 考 可 26 200814070 用於增加在該等栓接處 遞場域。此選項將在以下^^高於該局部增強的傳 下砰細說明。 另外，其可注意到在一给十 領域_另P # p a 〜疋％域的影響之下，頭對頭 1域牆及尾對尾領域牆將合 φ ^ ㈢在相反方向上移動，具有正充 電的頭對頭領域牆在場域 砂勤 41 M ^ ^ ^ ^ ^ —向上移動，而負充電的尾對尾 貝取腸在相反於該場坺 ^ Λ ^ ^ ^ 一 ° 移動。實際上，此領域赌的 W徵為磁場感應的領域牆 場域將I # β 1 …、已知特徵，因為一施加的 豕㉟將會使得頭對頭 消，所以領域會結合。此在:㈣牆朝彼此移動’並且抵 毁多個領域來重置一夺些時候很有用，命]如藉由摧 奈米結構中的領域時：：留？二有時候當其需要移動-，目—# 保留它們時亦會是問題。 現在將依序參照14個 線裝置元件的操作。 又母一個時段說明該奈米 於：戶斤示的奈米線部份控制五個領域，…初 於所示的凹槽之間，即 ，、中二個延伸 |~'/價1-3、3-4及4 6 所示的線部份之任一端， ·，而兩個位在 '、k伸超過所例示的镍卹a 、。該等領域彼此相鄰。1 堞邛份之末 白位在A凹槽，即由電極 子碩？員域牆

拟 蚀群組A所處理的凹楫 P 對尾領域牆皆位在C凹#， 日，而所有尾 * . ^ 僧即由電極群組 再者，其可注意到β凹样， 处理的凹槽。 可、、主立5丨十 日亚未控制任何領域牆。另 忍到在所示之線部份的中間之+y對準的另外，其 :::槽長’而兩個相鄰的-y對準的領域為兩個：：僅為— 超過所示線段之末蠕的兩個末端領域較長槽長。延 個凹槽長度的一長領域可以編竭連續的零卜（例如約12 27 200814070 2· 電極Α在施加+y操作場域時被啟動。 3·在同時作用+y操作場域及局部加熱A凹槽時， 該頭對頭領域牆在+y方向上傳遞，其為該奈米線所構成的 序列記憶體元件之一般資料流方向，其係在被栓接到”方 向上下一個相鄰凹槽處，即B凹槽。因此在中間的”對準 的領域已經由一或兩個凹槽長度延伸，而相鄰的彳對準的 領域已經由兩個凹槽長縮減到一個凹槽長。

4·電極C(控制尾對尾領域牆）在施加-y操作場域 被啟動。 在同時作用-y操作場域及局部加熱C凹槽時，兮 尾對尾領域牆在+y方向上傳遞，即朝向A凹槽。因此該^ 對準的中間領域已經自兩個凹槽長縮減到一個凹槽長且7 :鄰的1對準的領域已經由_個凹槽長延伸到兩個㈣ 長。相較於時段卜λ可看出現在該等領域已二 上沿著一凹槽移動。 丫方向 6.電極B (控制頭對頭領域牆）在施加+y摔作 被啟動。 J俅邗％域時 該頭對頭 8. 被啟動。 在同牯作用+ y運作場域及局部加熱B凹槽時 領域牆在+y方向上傳遞，即朝向C凹槽。 電極c(未控制任何領域牆)在▲加_y操作場域時 任何領域牆 28 200814070 1 〇 · 電極C (控制頭對頭領域牆）在施加+ y操作場域時 被啟動。 π· 在同時作用+y運作場域及局部加熱c凹槽時， 該頭對頭頜域赌在方向上傳遞，即朝向a凹槽。 12·電極B (控制尾對尾領域牆）在施加-y操作場_域_ 被啟動。

13·在同時作用-y操作場域及局部加熱B凹槽時，該 尾對尾領域牆在+y方向上傳遞，即朝向c凹槽。 14· 電極A在施加+y操作場域時被啟動。 此操作可用相同方式持續，以在資料流方向上沿著該 奈米線移動領域。在每個時段中，所有的頭對頭領域牆由 一組共同處理的凹槽所控制，而所有的尾對尾領域牆由不 同組的共同處理凹槽所控制，而第三組共同處理的凹槽則 未控制任何領域牆。此隔離允許正及負領域牆在相反對準 的運作肩域作用之下在該資料流方向上由一個凹槽獨立地 移動到下一個。因此每個領域在當領域長度於2個及丨個 槽之間逐步變化時於資料流方向上以階段性方式移動。 更概σ之，可使用較大的領域長度，雖然可以降低每個凹 槽之間距離内的領域數目’藉此可降低資料密度。 因此其將可瞭解到在加熱脈衝與操作場域順序之間的 關係如下所示：

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現在將可瞭解沿荽 太土从 σ者一奈未線記憶體元件之受控制的磁 性領域之串流的移動，如並山_妓 助 即藉由父替施加一反栓接熱能到凹 槽來同時控制頭對頭及呈斜 項及尾對尾領域牆而對準及反對準該操 作領域於該資料流方Θ lL ^ ^ 向。此可在資料流方向上沿著該奈米 線移動該磁性領域，並拉w产 一 亚糟U在該貧料流方向上沿著該奈米 線序列地移動資料〇复腺路名2 ,上 具將瞭解到此為一偏移暫存器功能。 領域如何由奈米線讀綠 、八及項出尚未現明，但現在將參照以 下的圖面做說明。 1 ' 第图為在yZ平面上具體實施本發明之一記憶體裝置 的輸入侧之概略側面剖面圖。如圖所示為一奈米線的堆 疊’其由磁性層2G形成，由非磁性材料在z方向上區隔， 並由非磁性層22形成，並配置在一基板24上。範例中顯 示三對的磁性及非磁性層。*前所述，該等奈米線可由’高 導磁合金或其他磁性材料製成。該非磁性層可由任何具有 可相容於該磁性材料之適當絕緣及絕埶/ …符性之容易製造的 材料以及多種處理及加熱電極所製成。 料可為二氧化矽（Si〇2)或氮化矽（Si3N ^ 該非磁性材 4)、氧化鋁（AhCh)、 氮化鋁（Α1Ν)或一些其他大致相容於譽 ) 罝整合的材胡^。 在奈米線之間非磁性間隔層之崽电 &必須足夠大，以畀 小化在相鄰層中領域之間的靜磁層間輕人 乂取 比所需要的要厚’因為其僅增加了太也 仁疋’其不能 不永線堆疊的厚度而沒 30

200814070 有好處，因此使其更難製造。一約5 0 nm的非磁性層厚 (例如3 0-70 nm或20-80 nm)可能最接近最適值。 在一真正的裝置中，可依需要有任何數目的奈米線 20。該裝置結構在z方向上天生即可調整，其為關鍵優 之一，所以可提供大量的奈米線層。特別是其可設想在 裝置中提供10-1000或100-1000或更多的奈米線層。該 憶體儲存容量基本上將隨著層數線性調整，所以將會影 在任何給定裝置中層數的選擇。 雖然由此特定圖面無法看出，其亦將可暸解到每個 米線層包含複數奈米線，其每個延伸於y方向上，並可 X方向上彼此區隔’相鄰的奈未線由非磁性材料隔開， 可為與非磁性層22所使用的相同非磁性材料，或是由微 所指定的材料，例如基板材料，其基本上為矽，或是一 隙。 回到圖面，很明顯地每個奈米線層（及其附屬的覆蓋 磁性層）在其以下的奈米線層末端之前在y方向上終止， 以該等奈米線層在y方向上交錯，以透過連續終止最上 層的配對形成一平台或段差式結構。在每一段差中，所 示有在X方向（即遠離圖面方向）延伸的一單一金屬或金 化電極26。一種這樣的電極可對每個奈米線提供，所以 每個段差可與每層的奈米線一樣多的電極26。每個電極 在相關的奈米線之末端（所例示的部份）之上延伸於X方 之相當短的部份，及兩個相當長的部份，造成於y方向 概略延伸的互連接。因此每個電極2 6之所例示的短部份 度 層 點 記 響 奈 在 其 影 氣 非 所 方 顯 屬 在 將 向 上 即 31 200814070 配置在該非綠性層上，並在~知,, i 乂评磁注/W 1牡相關的奈米線之終端部份 上。 電極26為成核化場域產生器之範例，並可不同地稱 為領域牆注入電極 '資料輸入電極或讀入電極，以指示 們在該裝置中的功能。 現在將說明該資料輸入功能…奈米線的成核化場 朝向其末端降低H如果沿著—奈㈣的長度施加 磁場，其在該杏米線終端部份虛民Μ 0 , ，、隹π不不、,1切慝局部降低的成核化場域 上，但低於該奈米線主體中成核化場域之下，然後一領 牆（或領域）可在該奈米線的末端部份處產生。 現在考慮施加於圖面之中央電極262之電流。此將 在奈米線2〇2上y方向產生具有_顯著的成份之環狀磁 位於其下，以及底部奈米線2〇3更在其之下。該電流可 選擇使得其在奈米線2〇2中產生的磁場高於位在奈米線 端部份處局部降低的成核化場域，但低於在奈米線主體 的成核化場域。再者，由流動在電極262中的電流產生 大峰磁場不能夠在底部奈米線2〇3中產生一領域牆，為 =的，其將需要超過該奈米線之主體的成核化場域，其 實上為該底部奈米線2〇3之末端與電極262有良好區隔c 因此其將可瞭解到段差式結構代表每個電極26n產 一場域，其位在其相關奈米線層2〇n之末端區域的局部 所以藉由利用由末端效應造成的局部降低的成核化場域 在該奈米線層中選擇性地產生領域牆。再者，其將可瞭 到此不需要藉助3D接點或處理架構即可達到。整個接 之 之 它 域 之 域 會 場 以 末 中 的 此 事 生 僅 解 點 32 200814070 =處理架構可保持在m 2d，即使^ 不米線）係配置在3D。因此可 μ圮憶體 ,^ 建到3D記怜縣 加母單位晶片面積之記憶容量， -體的好; 接點及處理架構的額外複雜性。…、1於必須使 ^個別處理在具有本身電極26 需求為該奈米線在χ方向上封 =侧每個聋

該奈半始； 裝拾度的限制因I 線架:、、/要Φ 或更長距離區隔，复至。 的^ 點位置來提供輸μ理的m、/ 的巴所以在導線架有足夠大的區隔，作降;、' 的^隔，JL中雷搞0 < #政#‘ 1一降低至丨 」、中電極26検跨該奈来線末蠕部份。 目前已經說明該記憶體裴 明資料輸出側。 置之貝枓輪入側，s 广圖為在”平面上具體實施本發 輪出側之概略側面剖面圖。很 ^ 的奉半& a ο β .，、、員地與第ό圖所六 鱼^線層20與非磁性層22。如圖所*，該 ，、匕們相關的非磁性層22以交 20,^ 2? , ^ 乂錯的方式终止，藉在 魚22 A先終止’其由”方向上觀視。此終止造 到：之覆蓋配對中每一個由該終止的底層… 方或逐漸向下。此在示意圖所示為以一斜面自 向上-相當有限的程度逐漸向下。然後層。 下二η = 2終止之前在y方向另延伸一距離，造成力 /跨另一個斜面。最後’該上方層（在此圖中為 、止。因此透過連續終止最底層的配對來得到一今 結樽（gp -即増 用~ 3D 米線的 例如， 位在導 使用線 奈米級 •在將說 ，裝置的 :為相同 線層2 0 ▲最低層 成層20 ‘的厚度 ί型式在 丨及η = 3 r η = 3 向 η = 3 )即 臺0 33 200814070 在該奈米線層2 0 n之每個末端部份之下’即在該終端 區域’其顯示在該基板2 4中喪入有一磁性彳貞測器2 8 n。此 指示該等磁性偵測器整合於矽中（或其他半導體）。在此將 可暸解到名詞基板未嚴謹使用，做為一底部半導體結構的 傘狀物，其中包括習用的磊晶層、摻雜區域等等，而非以 嚴謹的角度來參照一空白未處理的晶圓部份。 磁性偵測器2 8 n用於镇測一磁性領域或一領域牆的存

在，其藉由偵測來自它們相關的奈米線層20n之末端部份 的展開場域。該等磁性偵測器可以基於例如在本技藝中熟 知的磁性隧穿接面，旋轉閥或霍爾（Hall)效應（如Bismuth 或InSb)。另一個選擇為將一磁性偵測器直接電氣接觸於 該等奈米線’使得該等奈米線形成一磁性隧穿接面或自旋 電子裝置中所謂的自由層。電氣接點亦可置於該等凹槽的 任一側’以測量該AMR，並偵測在該凹槽處一領域牆是否 存在[12]。 類似於該裝置之讀入側，其將可瞭解到由奈米線層構 成之堆疊的3D記憶體元件之讀出架構僅使用平面（即2D) 半導體整合方式實施’以在z中不同奈米線層之磁場摘 測益在y上區隔。在製造時除了製造奈米線層本身之外， 並不需要2方向上額外的結構。 域 中 、：里測每個奈米線在該輸出側具有其本身偵測器之場 的而求為為該奈米線在X方向上封裝密度的限制因素。 :8圖為在Xy平面上具體實施該發明之一記憶裝置的 央部份之概略平面圖。所示的中央部份可視為在第6圖 34 200814070 及第7圖中所示之間（在y方向上）的部份，即在該裝置之 讀入及讀出端之間的部份。在概略平面圖中顯示，具有每 層八條奈米線1 0的裝置顯示在基板24上，雖然其將可瞭 解到概言之在每個奈米線層中將提供更多數的奈米線。例 如，使用90 nm微影技術，則如果該晶粒的活化裝置部份 為1平方公分，每一層將有5 5，0 0 0條奈米線之空間。在X 方向上（及z方向上）奈米線之間非磁性材料未明確繪出， 但由其省略中可推論。

在圖中亦明顯看出加熱電極2 5，根據先前所述之共同 處理而標示為A、B及C。總之，所示的電極有九條線， 雖然其將可瞭解到在一真實的裝置中，將有大量的線，基 本上可有數百或數千，其係根據所提供的凹槽數目，如上 所述。 第9A圖為先前圖面中所示之一記憶體裝置之相同中 央部份的概略側視圖，但是在xz平面上，即侧視圖。配合 第8圖，其將可暸解到加熱電極25為“梳子狀”組合，其中 每個電極棒23為在第9A圖中可看到的這種梳子的脊柱， 其中梳子的“齒” 1 3垂直延伸電極零件而垂直通過該等奈 米線層。在基板24上亦顯示有一導電層21，其為一電流 返回平面，用於封閉加熱電極所需要的電流迴路，如標示 為I的箭頭所示。導電層13可為一適當退化的摻雜半導體 層、一砍化物層或沉積在該基板上的一金屬層。 雖然我們將電極結構描述成梳子，在第9A圖及其他 圖面中將可暸解到所顯示的z方向中z刻度為了解釋的目 35 200814070 的而概略地放大。典型裝置將在xy平面上以微米或公分延 伸，藉此該奈米線層基本上將僅為K丨〇 〇 nm厚層級，所以 該磁性結構的總厚度在一典型裝薏中可能僅為卜丨❶❹pm。 為了在所有加熱柱上保持相同的電流流動，其較佳地 是插入一較高阻抗材料（像是碳）之薄層，其在該等柱之底 部與該返回電流路徑（即在^與2l之間）之間’或是在气 等柱Η之頂部與棒23之間，其通過連接柱13之頂部 些可同時藉由暫時地關閉該金屬沉積1開啟石炭沉積時沉^ 以插入此層。 、 第9Β圖為用於例示對於第9Α圖之另一種凹槽加 口口 #、、\ 、、、〇 構之一早一奈米線及相關的加熱電極柱在平面上、 略平面圖。類似於第9A圖之電流架構，第9B圖之架=2 熱選擇的柱13，然後允許熱性接觸以轉移該熱量相加 槽區域。在第9B圖中的加熱接點與第9A圖完全相同、 方式配置，除了該電流返回平面21(第9圖）為分散，^的 13另在一絕緣基極處終止。加熱柱13位於凹槽上的中杈 如先前在第9B圖中所示。為了加熱 '給定組：的凹槽二: B或C)，施加一電壓到該等柱以接觸於該組凹 、/ A、 日 ϋΕ.方 一不同的電壓到其他組的柱。例如，在圖面中， llj j-r 要套用到該等枉之電壓+V’例如+lv，其接觸於‘A，凹枰'、 而施加0V到該等柱，其接觸於‘B，及‘c，凹槽。此造成二’ 流流動在A凹槽之中央，其一半在y方向上流二以：電 奈米線U)通過C凹槽，另一半在+y方向上流動以離開 奈米線10通過B凹槽，如在圖面中箭頭所指“開 。精由 36 200814070

Kirch off第一定律，通過凹槽A之電流必須為分別通過凹 槽B及C之電流大小。這些電流將直接加熱奈米線。因為 焦耳加熱正比於電流的平方，在凹槽A附近將被加熱為奈 米線所有其他部份的四倍，在A凹槽附近產生更為密集加 熱27的區域，其可允許選擇性地將領域牆僅與A凹槽反 栓接。注入通過一凹槽的電流之精確大小必須小心地調 整，使得該加熱效應足夠強，以由所想要的凹槽釋放領域 牆，且不夠強來反栓接其他地方。接著為相同層級的加熱， 如上所述（參見例如上表）。再者，位在該等磁性層之間的 電氣絕緣間隔層 22將加熱電流侷限在該磁性奈米線層 20，且在（更厚的）間隔層中不會產生浪費的熱量。 要達到充份加熱的典型電流密度為1 〇7 A / e m _2。因為 該電流符號並不相關，其會需要在後續加熱脈衝改變其電 壓符號來降低電子遷移。要引起加熱的電脈衝持續時間必 須與整合的奈米線之熱時間常數為相同大小。如果比這個 要短很多，則該奈米線將不會完全加熱。如果比這個要長 的話，該溫度將不會再上昇太多（因此將不會進一步反栓 接），但來自該裝置之整體功率消散會持續增加。典型的熱 時間常數為1-10 ns。 第9C圖及第9D圖所示為用於在凹槽之間移動領域牆 的另一種選擇。在此實施中，使用電流感應的磁場增加在 該等栓接處所處的磁場以高於該局部增強的傳遞場域。 第9C圖的溫度將可由第9A圖瞭解，其大致為其複 製。第9C圖的結構不同於第9A圖之處僅在於電極結構。 37 200814070 形成梳形電炼夕“ 4^， 电毯之齒的柱13，每個梳子形成 “A”、“B”或 C電極群組中任一項，在第一導電材料（如金）的柱13〗與 第一 V電材料（如銅）的桎I、之間的X方向上交替，其中 第一及第二材料具有不同的導電性。

由B1〇t-Savart定律可知，行經一直線的電流會感應出 具有螺旋對稱場線的磁場，其中在線之外任何點處的場域 之大小正比於該電流，而反比於與該線的距離。因此，對 於具有流經它們的不同電流之兩條平行線，在它們之間的 中途有平行於該線之淨磁場。 睛參照第9C圖，當施加一共用驅動信號來造成電流 流動在棒2 3與導電層2 5之間，枉1 3 !及1 3 2可有效地形 成一平行電阻網路，其中流到柱13l之電流h將為r2/(Ri + ’其中R!及R2分別為柱1 3 i及1 3 2的電阻。類似地， 流到柱132之電流I?將為Ri/(Ri + r2)。例如，如果柱由金 及銅製成，則由於銅的較低阻抗，將使銅柱會比金柱流過 更多的電流。 更概言之，其將可暸解到上述隱含地假設這些柱具有 相同的尺寸。當然相關參數為兩種柱具有不同的電阻，且 此亦受到柱之尺寸的影響。例如，該等柱可皆由相同材料 製成，但由於具有不同的橫剖面積而有不同的阻抗，例如 在xy平面上的面積。 其將可瞭解到該等電極可由任何適當的導體製成，其 中包括Au、Cu、Al、Mg、Zn、Pd、Pt或這些導體或其他 元素的合金。 38 200814070

請參照第9D圖，所示為第9C圖之奈米線1 〇之一的 平面圖，其附帶顯示了向外凹槽 12的重合配對。柱 13! 及1 3 2係配置在通過凹槽1 2之例示的奈米線1 〇之任一側 上。在圖式中，“C”電極被啟動，感應平行電流I!及12流 到柱，並在X方向上於相等於奈米線周期性一半的距離處 感應圓柱磁場B 1及B2，其概略顯示為圓形場線。在奈米 線中，場域B i及B2結合以沿著奈米線（即y方向）產生一 淨場域ΣΒ，由實線箭頭所示。該淨場域ΣΒ當重合及疊加 在操作場域Η上時提供所想要的反栓接場域，以使得領域 牆可移出凹槽1 2。依此方式，領域牆可用一控制方式沿著 奈米線在凹槽之間移動。 其將可瞭解到於凹槽附近感應出該淨磁場之電極中流 動的電流亦會造成加熱，且此效應會加入磁場效應，所以 兩者皆會有助於反栓接能量。 因此在ζ方向上的電流即用於感應y方向上的反栓接 場域。其將可暸解到沿著y方向之反栓接場域亦可利用X 方向上的電流來產生，即利用在非磁性層2 2的平面上延伸 的電極。 第10A圖及第10B圖為第8圖及第9A圖所示之記憶 體裝置中相同零件由上方及下方的概略透視圖。其中可看 到加熱電極25中每一個包含一跨接組件23及一組柱1 3， 其中加熱電極區隔交替之奈米線20與間隔層22之堆疊。 在此範例中，氣隙軸形成於X方向上相鄰堆疊與y方向上 39

200814070 相鄰加熱電極2 5之間。在第10B圖中，可看到一 槽結構，儘管是在底部間隔層22，而非磁性層20。 第11圖為在yz平面上具體實施本發明之一記 置的磁場源3 0之概略側面剖面圖。其亦顯示了承載 奈米線陣列與相關讀入及讀出元件的基板24。來源 供了在+y及-y方向上一交替線性磁場B，其係根據 源的電流流動方向。在圖中所指示的場域方向例如 該來源為在z方向上延伸的一元件3 2陣列之熟知的 設計。來源3 0可透過覆晶接合或其他技術整合於基 第12A圖及第12B圖為在yz平面上具體實施 之一記憶體裝置的輸入側的製造之概略側面剖面圖 之，使用一陰影遮罩3 4的邊緣部份定義奈米線與非 2 0、2 2配對之末端終端，並在每對層之沉積之間在 上每次前進‘s’的量。該前進量基本上是保持固定， 上這些在需要時可在每一段差改變。 第1 2 A圖所示為第一配對的奈米線與非磁性層 22!之沉積，其中該陰影遮罩邊緣部份 3 4係在第 上。其將可瞭解到層2(h中奈米線的末端將不會是 y方向之xz平面上的精確末端，而是可良好地具有 端，其由半影遮影或其他效應造成，其位在該陰影 邊緣處，造成該基板與該遮罩之間在z上的區隔。 在沉積第一配對的層201、22!之後，該陰影遮 一距離‘s’，並沉積第二配對的層202、222。 向外凹 t體裝 前述之 30提 通過來 為+ y。 長條線 板24。 本發明 。概言 磁性層 y方向 但原理 2〇ι、 一位置 垂直於 一些尖 遮罩的 罩前進 40

200814070 第1 2 B圖所示為第二配對的奈米線與非磁性層 222之沉積，其中該陰影遮罩34係在第二位置上。 可瞭解到許多配對的層如何連續形成以產生在y方 伸的奈米線之2D奈米線陣列，其在y方向上具有 個奈米線層之寬度為‘ s ’的段差。 然後即可製造前述的資料輸入電極26，但在本 示出。 第13A圖及第13B圖為與第12A圖與第12B 較的概略側視圖，其中顯示了奈米線的其他末端， 憶體裝置的資料輸出端。這些圖面在yz平面上，相 12A圖及第12B圖。其將可暸解到第13A圖所示與 圖具有相同的時間性。類似地，第1 3 B圖與第1 2B 相同的時間性。在此結構末端，亦使用一陰影遮罩 份3 6，其可為相同陰影遮罩的部份，用於定義在該 上的平臺或為一獨立區隔陰影遮罩的部份。像是該 入侧陰影遮罩，其在+y方向上於連續配對的層2 0 沉積之間逐步前進。前進的距離如所示為y方向上 ‘ r ’。此可在需要時對每一步驟有所不同，雖然其可 了設計方便即保持固定。再者，段差尺寸‘ r ’可 ‘ s ’（例如如果陰影遮罩邊緣部份3 4及36為相同光 的一部份）或不同。它們可以不同，因為對於相鄰資 電極26之y區隔的選擇可以獨立於在資料輸出端磁 器之y區隔的選擇。在任一例中，前進距離‘r’定義 202、 因此將 向上延 區隔每 圖中未 圖相比 即該記 同於第 第12Α 圖具有 邊緣部 輸入側 資料輸 、22的 的距離 設想為 相同於 罩結構 料輸入 性偵測 了由奈 41

在-z方向上材料動量之沉積製造出該襞置的平臺結 第14B圖中向下箭頭所示。 在製造中’該光罩將安裝在晶圓表面上方一短 〇如大約2 0 〇微米，並在沉積期間在真空中使用一 達在y方向上移動。在最簡單的例子中，於資料輸 曰粒的邊緣上有一組平臺’而在資料輸出的每 的其他邊緣上有另一組的平臺。該陰影遮罩可由微 石夕晶圓所製成，使得在其中由微影定義或由傳統機 筹金屬板而具有钱刻的洞。在製造數個晶圓時可 "疋光罩。一光罩的壽命限制將可由在光罩中孔洞 冗積材料的累積所決定，其會造成它們粗糙化。 200814070 米線在每一層中依序連續終 平臺的y方向上的程度， 广生的斜面之間 第14Α圖為在製程中使 ，…、線層開始 42 ^ , 的陰影遮罩40 | 2之xy平面上的概略平面圖， 與 年1 4 B _兔 應的概略側視圖。光罩4 〇大动* - z y平 八双為圓形， μ 的晶圓42之形狀。光罩4〇且士 乂付合所： 早㈣具有孔祠 分佈於光罩40之上，並顏- a 44之一 尤+ 上其顯不成概略為方形χ 或任何其他形狀，由y方向上看具有旦可/ 緣部份，以分別形成上述的光罩末端^疋義的月 、 4 97亢皁不鸲部份3 4及3 孔洞所示為高度的概略性，其將可瞭解到其每一令 更為複雜的結構來提供習用的微影特徵^如前所土 單於製造期間在y方向上以段盖的方式移動，以） 7段差i i部晶圓 上相對 要直禮 t列，其 長方形 緣及後 。該等 可具有 ，該光 許透過 構，如 距離， 線性馬 入^的母· 個晶粒 JX-—— 械加工 使用一 邊緣上 42

200814070 如果想要區段化該序列資料’其方式為該磁性奈 不會穿過該晶粒的整個寬度，則每個晶粒的陰影遮罩 要數個孔洞，以允許每個資料區段有一獨立組合的輸 輸出平臺。一旦已經沉積該平臺化的多層膜，該晶圓 覆光阻及襯勢，其定義了磁性奈米線在正常微影製程 曝光、顯影及蝕刻。該光罩需要定義磁性奈米線，其 長來完全地行經平臺上所有的段差。 現在說明另一具體實施例，其中該栓接處所由在 線之間十字形成所產生，其可傳遞及儲存資料，並另 其共平面的奈米線，並由其橫向延伸。已知可使用磁 米線十字形來形成栓接處所[10]。 第1 5 A圖為另一具體實施例中一記憶體裝置的中 份通過該奈米線之xy平面上一剖面的概略平面圖。第 圖為通過第15A圖中奈米線之一的一垂直剖面之 上的概略側視圖。關於對應於前述具體實施例之特徵 考編號將維持不變。 請參照第1 5 A圖，其在概略顯示了兩條相鄰奈米 於y方向上延伸’其例如由高導磁合金所製成。奈米 分別支援由頭對頭與尾對尾領域牆16及18所包圍的 領域14。在圖面中，範例領域及領域牆皆僅在奈米線 當中概略地例示。栓接處所12沿著奈米線10均勻間 配置，並以重複的順序再區分成三個群組A、B及c 個栓接處所的群組皆獨立地由電極處理（未示於圖中 米線 將需 入及 即被 中的 足夠 奈米 有與 性奈 央部 15B 平面 的參 線10 線10 磁性 之一 隔地 ;。每 丨，但 43 200814070 在相同群組中的栓接虛 例。 ㉟處所即共同處理，如前述的具 在本具體實施例中，栓接處所12由 所形成，直由且右雔a 座材料的 U具有類似於奈米線 性的其他奈米線17 也、。彳面尺寸及 沐i /形成。其他奈米線

米線10之X方向上，焊技t丄 7延伸於JE 杈跨奈米線10中却夕 形成一栅格樣式。夺f °夕條，箱 不木線1 0與其他的+ 平面，其一起製# A TO j 丁子奈米線 起1k成一單一沉積層，复 磁性材料19的島形所F 、 Μ礤性柄 旬办所&隔，例如Si〇2。复 材料(如Py)之後在例如Si〇2層 ：可在沉 餘刻一才冊株，*幻 才7^準的微景j J栅格亚剝除覆蓋在Si〇2島上多餘〜" 所示的結構。不僅是沉藉 、、py， 惶疋，儿積磁性材料到柵袼 括前述的電極材料，請參照下圖。 &中， 第⑽圖及第15C圖分別為通過第15八圖之 Π:Π的一垂直剖面”z平面上的概略側視圖。 第1 5B圖的剖面所示為磁性材料層20，例如 :在下方及上方電極材料層29與35之間，所示為 。、口金層之下及之上的銅及金層的範例。此區段 1區域為非磁性材料，例如Si〇2，其由帛15八圖可看 I9構成，而非磁性材料的上方層與下方層22利用 那具體實施例令如前述地依相同方式區隔垂直相鄰 層2〇 〇 體實施 十字形 物理特 交於奈 以共同 17為共 料由非 積磁性 技術來 以完成 並且包 产面I-I Py，其 在一高 其餘的 到的導 關於先 的磁性 44 200814070 第15C圖之區段係通過奈米線10之一，因此顯示出 y向上延伸的礤性材料20之速續層，其具有在y方向 上共同延伸的電極材 何枓之連續層2 9與3 5 太、，電極藉由施加一電壓差到每個群組A、B、c之十字形 奈米線17的末端來驅動，以在χ方向上電極群組中感應電 流流動。其可注意到此配置中，將感應出相當少量的電流 在/;σ著奈米線1 0之區段在相鄰十字形線之間流動，其在本 技藝中有時候稱之為竊電流。該竊電流在下述並未考量’ 且將不會影響裝置效能，只要它們不要大到會引起反栓接。 爽住每個十字形奈米線之上方及下方電極的垂直相鄰 配對由一共同信號驅動，且因此形成平行電阻，其中流到 上方電極35之電流h將為RVd + R2)，其中R1及R2分別 為上方及下方電極3 5、29之電阻。類似地’流到下方電極 29之電流12將為Ri/d + Rz)。例如，如所不’如果上方及 下方電極由金（Au)及銅（Cu)製成，則由於銅的較低阻抗， 將使鋼電極會比金電極流過更多的電流。 由Biot-Savart定律可知，行經〆直線的電流會感應出 具有螺旋對稱場線的磁場，其中在線之外任何點處的場域 之大小正比於該電流，而反比於與該線的距離。因此，對 於具有流經它們的不同電流之兩條乎行線在它們之間的 中途有平行於該線之淨磁場。 其將可瞭解到本具體實施例所例示的電極配置為此狀 況的一範例。所例示的範例由驅動信號啟動B群組的電 極，而感應電流流動。所例示的B電極 方及下方層之 45 200814070 場域線由標示$ Bau及Bcu的圓形所示，所得到的淨❹ ΣΒ在平面上為上方及下方電極之間的中途，其纟乂方向： 延伸通過頭對頭領域牆16的箭頭所示。 °

因此其可瞭解到領域牆16及18如何能夠在啟動電極 29及35之下由十字形到十字形選擇性地移動通過奈米= 1〇，如前述關於第1圖及帛5圖所做說明。意即，當 B或C群組的電極與主操作場域h同步被啟動，該感應的 場域ΣΒ足以自該十字形反栓接領域牆，藉此所影響的領 域膽沿著奈米線1 0移動到下一個十字形，其中它們已預 好下一次啟動的栓接狀態。， 上方及下方電極層35及29與磁性層2〇同時形成，其 中三層依序沉積到溝渠中，其已被蝕刻以形成第15a圖^ 示的栅格結構。在沉積這三層29、2〇及35之後，在溝洛 之外不想要的材料即可由剝除光阻來移除，以完成所: 的結構。 不 適當的導體製成，1 Pt或這些導體或其他 其將可瞭解到該等電極可由任何 中包括 Au、Cu、Al、Mg、Zn、Pd、 元素的合金。 其將可瞭解到 同的長度及橫剖面 電極之不同的電氣 同的電阻，且此亦 極皆可用相同材料 在 上 述 範 例 中 上 方 y 並 使 用 不 同 的 材 科 阻 抗 〇 當 然 相 關 參 數 受 到 電 極 之 尺 寸 的 影 製 成 但 在 Z 方 向 上 及下方電極具有相 來提供上方及下方 為兩種電極具有不 響。例如，該等電 具有不同的厚度。 46 200814070 當形成上方及下方電極時，藉由沉積不同厚度的電 來達到。 在共同的xz平面上所有電極皆由側接點（未示{ 到3D結構的任一側。所有的“A”電極側接點彼此 接，所以它們可被共同驅動。所有的‘‘ B，，及‘‘ C，，電極 皆類似地連接。 雖然上述具體實施例已經詳盡地說明，本技藝 士一旦完全瞭解上述内容之後將可進行許多變化及, 例如’在該裝置之資料書入側處奈米線的終端 如第6圖所示，但另可類似於第7圖所示的讀出結 具有場域產生電極26嵌入其中，或另整合於半導儀 為此目的，利用該層沉積之陰影遮罩製程，其較佳 倒轉讀出側的製造，所以該讀出結構將可類似於第 示的讀入結構，其將磁性偵測器配置在平臺上方， 其下方。 再者，該磁場產生器不需要配置在磁性奈米線 上’即在該基板之上。其另可配置在該基板之下， 合到該基板的下方側，其可被餘刻來允許磁場產生 更靠近奈米線陣列。 該產生的磁場在一場域產生晶片之上可維持強 性之距離大致等於該晶片本身的側向尺寸。所以如 平方公分的場域產生器晶片，只要該儲存層在大約 生器之表面的1公分之内，場域強度將可被維持。 中’其將可容易地固定該場域產生器在該儲存晶片 極材料 U )接_ 並聯連 側接點 專業人 不需要 構，其 .基板。 地是亦 6圖所 而非在 結構之 例如接 器配置 度均勻 果有1 場域產 在此例 之下。 47 200814070 但是，其不需要在一給定時間啟動所有的奈米線。而是， 該貝料儲存可被區段化’所以僅偏移包含有興趣之檔案的 區段。此可允許該場域產生器被區段化，所以其不需要充 能整個產生器，藉此大量降低功率隸。但是，現在降低 該產生器之有效尺寸，因此該場域產生器晶片必須更為接 近該儲存晶片。是否該場域產生器可放置在該儲存晶片之 下必須根據該區段化所完成的微細程度來決定，因2在製 造精度與功率消耗之間的取得平衡。 其將可暸解到上述的結構為一 FIFO型式的库 夕1』§己憶 體。但是，原理上亦可能製作出一 FIL〇型的記憶體，如 果該讀入及讀出元件皆位在該奈米線的相同末端。例如/ 等磁性偵測器可配置在該裝置之輸入側上的奈米線平表以 下^在此例中，該結構僅需要在一側上具有平臺。 其意欲在以下的申請專利範圍中解釋成包 〜^ 3所有這些 變化及修改，以及其同等者。 一

【圖式簡單說明】 並僅參照附 米線的示意 電子顯微鏡 現在本發明的特定具體實施例將藉由範例 屬圖面進行說明，其中： 第1圖所示為具有向内凹槽之範例性奈 圖， 第2A圖為具有向内凹槽之奈米線的掃插 (SEM，“Scanning Electron Microscope”）影像； 48 200814070

第2B圖為具有向外凹槽之奈米線的掃描電子顯 (SEM)影像； 第3 A圖、第3 B圖及第3 C圖為類似的圖形，所 用於領域牆傳遞之具有一向内凹槽的範例性奈米線結 一磁性光學Kerr效應（MOKE)裝置所量測的遲滯曲線 、線的主體之直線區段（弟3A圖），通過該凹槽（第 及在該線的末端處一新領域牆的成核化（第3 c圖）； a第4A圖所示為對於每一個傳遞場域（開放圓形）， 化場域X(開放方形）及成核化場域（填滿方形）之一虺 向内凹槽之範例性結構的切換場域相 报· ^ A u糟大小 第4B圖所示為對於每一個傳遞 化場械〜 ^ V闹欲圓形） 域Μ開放方形）及成核化場域（填滿方 向外阳μ a / )之一 i 凹槽之乾例性結構的切換場域相對於 一 彤； 、^/僧大zj

第5圖為相同的奈米線在連續時段中 圖，甘丄 屯上到下& ^中磁性領域的移動很明顯； 、 第6圖為在”平面上具體實施本發明 的輪入側之概略側面剖面圖； 足憶體 7圖為在Μ平面上具體實施本發明之 出側之概略側面剖面圖； 、第8圖為在Xy平面上具體實施本發明之 的中央部份之概略平面圖； 記憶體 記憶體 微鏡 不為 構的 •在 圖）； 成核具有 的圖 成核 具有 的圖 示意 裴置 裝置 置 49 200814070 第9A圖為在xz平面上具體實施本發明之一記憶體裝 置的中央部份之概略側視圖； 第9B圖為用於例示對於第9A圖之另一種凹槽加熱結 構之一單一奈米線及相關的加熱電極柱在xy平面上的概 略平面圖； 第9C圖為在xz平面上根據另一具體實施例的一記憶 體裝置的中央部份之概略側視圖；

第9D圖為第9C圖之具體實施例中一單一奈米線及相 關的電極柱的概略平面圖； 第1 0 A圖為第8圖及第9 A圖所示之記憶體裝置中相 同零件由上方的概略透視圖； 第1 0B圖為第8圖及第9A圖所示之記憶體裝置中相 同零件由下方的概略透視圖；. 第11圖為在yz平面上具體實施本發明之一記憶體裝 置的磁場源之概略側面剖面圖； 第12A圖及第12B圖為在yz平面上具體實施本發明 之一記憶體裝置的輸入側的製造之概略側面剖面圖；及 第13A圖及第13B圖為在yz平面上具體實施本發明 之一記憶體裝置的輸出側的製造之概略側面剖面圖； 第1 4A圖為用於製造程序中一陰影遮罩及晶圓的xy 平面上的概略平面圖； 第14B圖為與第14A圖相同特徵的zy平面上的示意 側視圖； 50 200814070 第1 5 A圖為根據另一具體實施例中一記憶體裝置的中 央部份通過該奈米線之xy平面上一剖面的概略平面圖； 第15B圖為第15A圖中通過平面I-Ι 一垂直剖面的yz 平面上的概略側視圖；及 第15C圖為第15A圖中通過平面II-II 一垂直剖面的 yz平面上的概略側視圖。

本發明可有多種修正及其他的型式，在圖式中藉由範 例顯示為特定具體實施例，在此將詳細說明。但是其必須 瞭解到，其圖式及實施方式並非意欲限制本發明於所揭示 的特定型式，相反地，本發明係要涵蓋落在由下附申請專 利範圍所定義的本發明之精神與範疇内的所有修正、同等 者及其他選擇。 【主要元件符號說明】 10 奈 米 線 20 磁 性 材 料 層 12 向 内 凹 槽 2〇ι 最 低 層 13 齒 2〇2 奈 米 線 13ι 第 一 導 電 材 料 的 柱 203 底 部 奈 米 線 132 第 二 導 電 材 料 的 柱 2〇n 奈 米 線 層 14 磁 性 領 域 21 導 電 層 16 頭 對 頭 領 域 牆 22 電 氣 絕 緣 間隔層 17 奈 米 線 非 磁 性 層 18 尾 對 尾 領 域 牆 22ι 對 低 層 19 非 磁 性 材 料 222 非 磁 性 層 51 200814070

23 電極棒 34 陰影遮罩 跨接組件 35 上方電極材料層 24 基板 36 陰影遮罩邊緣部份 25 加熱電極 40 陰影遮罩 導電層 42 底部晶圓 26 資料輸入電極 44 孔洞或孔 26n 電極 A、 Β、C凹槽 262 中央電極 A、 Β、C加熱電極群組 27 密集加熱 Βι、 β2 圓柱磁場 28n 磁性偵測器 B 交替線性磁場 29 下方電極材料層 Η 操作場域 30 磁場源 h、 12電流 32 元件 ΣΒ 淨場域 52 200814070 【參考文獻】 1. 美國專利編號US2005/094427，由卩&1]^11提出，名為 「在兩個區域之間具有可偏移磁性領域的磁性偏移暫 存器，及其使用方法」“Magnetic shift register with shiftable magnetic domains between two regions，and method of using the same”

2. 美國專利編號US2005/186686，由Chen及Parkin提出， 名為「製造用於磁性偏移暫存器記憶體裝置中資料執跡 的方法」“Method of fabricating data tracks for use in a magnetic shift register memory device” 3. 美國專利編號US2004/251232，由Chen及Parkin提出， 名為「可偏移磁性偏移暫存器的製造方法」“Method of fabricating a shiftable magnetic shift register，， 4. 美國專利編號US2005/078509，由Parkin提出，名為 「讀取儲存在磁性偏移暫存器上的資料之系統與方法」 “System and method for reading data stored on a magnetic shift register，， 5. 美國專利編號US2004/252539，由Parkin提出，名為 「可偏移磁性偏移暫存器，及其使用方法」“Shiftable magnetic shift register and method of usingthesame” 6. 美國專利編號US2004/252538，由Parkin提出，名為 「用於寫入到磁性偏移暫存器之系統與方法」“ S y s t e m and method for writing to a magnetic shift register” 53 200814070 7. App. Phys· Letts.期刊 2005 年 8 月 87 卷 062503 (3 頁），Zhu、Allwood、Xiong、Cowburn 及 Gruetter 等人 提出的「次微米強磁性NOT閘極中領域牆傳遞之空間 性解決的觀察」“Spatially resolved observation of domain-wall propagation in a submicron ferromagnetic NOT-gate”

8. J. Appl. Phys·期刊 2002 年 91 卷 1 0，6 9 4 9 - 6 9 5 1 頁， Cowburn、Allword、Xiong 及 Cooke 等人提出的「平面 高導磁合金奈米線中領域牆注入及傳遞」“Domain wall injection and propagation in planar Permalloy nanowires’， 9. J. Appl. Phys·期刊 2004 年 95 卷，67 1 7-67 1 9 頁， Faulkner、Cooke、Allwood、Petit、Atkinson 及 Cowburn 等人提出的「在Ni81Fe19線中人工領域牆奈米彎管」 “Artificial domain wall nanotraps in Ni81 F e i 9 wires” 10. Science 期刊 2005 年 3 09 卷，1 68 8-1 692 頁，由 D· A· Allwood、G. Xiong、C.C. Faulkner、D .Atkinson、D. Petit 及 R· P· Cowburn等人提出的「磁性領域牆邏輯」 “Magnetic domain- wall logic” 11. J. Phys· D 3 6，2 1 75 (2003)中由 EK A. All wood、Gang Xiong、M.D. Cooke 及 R.P. Cowburn 等人提出的「磁性 奈米結構的磁性光學Kerr效應分析」“Magneto-Optical Kerr Effect analysis of magnetic nanostructures” 12. Phys. Rev. Letts. 90(9): Art· No. 097202 7 2003 年 3 54 200814070 月’由Klaui M、Vaz CAF、Rothman J等人所提出的「由 磁阻測量所探測的窄強磁性環結構中領域牆栓接」 “Domain wall pinning in narrow ferromagnetic ring structures probed by magnetoresistance measurements99

13. IEEE Transactions on Magnetics (5):4167-41 69, Part 2, 1 997 年 9 月，由 McMichael RD、Donahue MJ 等人提 出的「薄形磁條中頭對頭領域牆結構」“Head to head domain wall structures in thin magnetic strips 14. J· Appl· Phys. 95，6729 (2004)，由 Porter D G 及 Donahue M J等人提出的「沿著薄形窄長條的橫向領域 膽運動之速度」“Velocity of Transverse Domain Wall

Motion Along Thin，Narrow Strips” 55

Claims (1)

1. 200814070 十、申請專利範園： 1 · 一種序列資料儲存裝置，包含·· 一基板；

   一磁性材料之奈米線的陣列，其以三維配置在該 基板上’其中該等奈米線延伸於y方向上，並在X及 Z方向上彼此隔開，以形成一奈米線層的堆疊，其令 母條奈米線之形成使其能夠沿著其長度支援單一磁性 領域，該等磁性領域由領域牆區隔，其中該等奈米線 沿著其長度具有複數領域牆栓接處所； 一磁場源，經配置以產 由沿者該奈米線在對準與反 的一組件的作用，沿著該栓 該等領域牆；及 生一操作場域，其能夠藉 對準一第一方向之間交替 接處所之間的奈米線移動 1 M父替施加一反栓 接信號到栓接處所，其同步於該 ^ , 下穷域組件對於該 第一方向之對準與反對準，控制頭對 、

   2· 牆，藉此藉由交替移動該頭對頭及 尾對尾領域 該第-方向上沿著該奈米線移動％對尾領域牆，在 勒磁性領域。 如申請專利範圍第1項所述之裳置 所由沿著該等奈米線之尺寸變化所產其中該等栓接處 如申請專利範圍第2項所述之裝置，。 、 化係該等奈米線中局部窄化戋 /、中該等尺寸變 u 4 X化特德 t ^ 或向外凹槽。 ’以產生向内 如申請專利範圍第3項所述之裝 ^ ，其中該等局部窄 56 4. 200814070 化或寬化特徵係形成在該奈米線之相反側上，以提供 重合的局部窄化或寬化特徵。 5 · 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該等栓接處 所由在該y方向上延伸的該等奈米線與在該X方向上 另外延伸的奈米線之間形成的十字形所產生。

   6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該等反栓接 信號產生器包含第一、第二及第三群組的電極，且其 中該反栓接信號產生器用於選擇性地啟動該第一、第 二及第三群組的電極。 7. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中該反栓接信 號產生器被操作以利用一電流選擇性地啟動該第一、 第二及第三群組的電極，以造成該等栓接處所之局部 加熱。 8. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該反栓接.信 號產生器被操作以用於施加該反栓接信號做為··一第 一電壓，其被施加於該等電極群組中之一；及一第二 電壓，其被施加於其他的電極群組，以使流動通過施 加該第一電壓的電極群組之電流大於流動通過其他電 極群組之電流，藉此優先加熱施加該第一電壓的該電 極群組。 9. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中每個電極群 組包含第一電極元件及第二電極元件，其通過該等栓 接處所的任一側，且其中該反栓接信號產生器被操作 以用於產生具有不同大小之第一及第二電流通過該第 57

   200814070 一及第二電極元件，以沿著該等奈米線產生一淨 場，以提供該反栓接信號。 10.如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中該等第一 第二電極元件具有不同的導電性，所以可利用一共 驅動信號產生該第一及第二電流。 1 1 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，另包含複數成 化場域產生器，其為每一奈米線一個'且配置成藉 在一讀入位置處局部施加至少該成核化場域的一 域，選擇性地在該等奈米線中產生新的磁性領域。 12·如申請專利範圍第1項所述之裝置，另包含一資料 入側，其由延伸於該X方向上的複數平臺所形成， 複數平臺係由每個奈米線層之段差式終端所形成。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項所述之裝置，其中終止而形 每個平臺之奈米線層在每一例中為最下方奈米線層 14.如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中終止而形 每個平臺之奈米線層在每一例中為最上方奈米線層 1 5 ·如申請專利範圍第1項所述之裝置，另包含複數磁 偵測器，其為每條奈米線一個，且配置來測量在讀 位置處該等奈米線的磁場。 16.如申請專利範圍第1項所述之裝置，另包含一資料 出側，其由延伸於該X方向上的複數平臺所形成， 複數平臺係由每個奈米線層之段差式終端所形成。 1 7.如申請專利範圍第1 6項所述之裝置，其中終止而形 每個平臺之奈米線層在每一例中為最下方奈米線層 磁 及 用 核 由 場 輸 該 成 〇 成 〇 場 出 輸 該 成 58 20. 21 200814070 18·如申請專利範圍第16項所述 * 展罝，其中終止而形 “ $之奈米線層在每一例中為最 a如中請專利範圍㈣項所述之裝置，另包;；'^層 士側’其由延伸於該X方向上的複數平臺所形成， 複數平臺係由每個奈米線 ^<丨又差式終端所形成， ς相關於相同奈米線層之資料輸入及輸出側平臺 該y方向上具有相同的延伸。 I種在-奈米線上序列㈣存以_磁性領域編碼的 枓之方&，每個磁性領域由—頭肖頭領域牆及 尾領域牆所包圍，且該等奈米線沿著其長度具有複 領域膽栓接處所，該方法包含： u)施加一操作場域，其具有一組件，其沿著 奈米線交替於對準及反對準一第一方向上之間，·及 (b)交替施加一反栓接能量到栓接處所，t同 於該操作場域組件料該第—方向之料與反對 控制頭對頭及尾對尾領域牆， 由交替移動該頭對頭及尾對尸使w磁性領域 — 碩及尾對尾領域牆沿著該奈米線 該弟一方向上移動。 如申請專利範圍第2。項所述之方法，另包含： (Ο藉由局部施加至少該成核化場域的一場域 貝入位置處，在該奈米線上產生新的磁性領域， 執打步驟⑷及（b)時，藉由在該第一方向上，將資料 列性地讀入該奈米線中。 、’ 22·如申請專利範圍第21項所述之方法，其中該讀入位 成 〇 輪 該 且 在 資 對 數 該 步 藉 在 在 當 序 置 59 200814070 是在該奈米線之末端部份處，其係相關於該等領域牆 在該第一方向上移動遠離的該奈米線末端。 2 3.如申請專利範圍第20項所述之方法，另包含： (d) 重複地測量在一讀出位置處該奈米線之磁 場，而在執行步驟（a)及（b)時，藉以序列地以該第一方 向自該奈米線讀出資料。

   24.如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該讀出位置 是在該奈米線之一末端部份處，其係相關於該等領域 牆在該第一方向上移動朝向的該奈米線末端。 2 5.如申請專利範圍第20項所述之方法，另包含： (e) 交替施加一反检接能量到栓接處所，其同步 於該操作場域組件之對於該第一方向之反對準與對 準，控制頭對頭及尾對尾領域牆，以使該等磁性領域 藉由交替移動該頭對頭及尾對尾領域牆，沿著該奈米 線在相對於該第一方向之第二方向上移動。 26·如申請專利範圍第25項所述之方法，另包含： (f) 重複地測量在一讀出位置處該奈米線之磁 場，而在執行步驟（a)及（e)時，藉以序列地以該第二方 向上在該奈米線讀出資料。 27·如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該讀出位置 係在一奈米線末端，其為該領域牆在該第二方向上移 動朝向的末端。 2 8 ·如申請專利範圍第2 0項所述之方法，其中該反栓接能 量由電氣感應加熱所施加。 60 200814070 29.如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該 量使用電極元件施加，JL為# a μ反拾接能 上通過該等領域牆栓接處_ Μ 〜方向 % /ΤΓ的任一側，並 等電極元件產生不同大小的電流以沿著該：：著該 一淨磁場。 、水線感應 30. 一種使用磁性材料的奈米線注入、儲存及讀 _

   料流之方法，其能夠支援沿著它們長度之‘一序列資 域’其中該等奈米線具有沿箸其長度的複 生領 接處所’所形成之每個奈米線使得一領域騰在个° 有一強度而位在該奈米線之傳遞場域與位用具 χ1¾ 接處 所處一局部增強的傳遞場域之間的一操作場域 著該奈米線為活動式，該方法包含： ~ 施加該操作場域使得領域牆在相鄰检接處所之門 的奈米線上可以活動，其中該奈米線在施加該操作場 域時啟動； 藉由在該注入位置處施加至少該成核化場域的一 局部磁場，選擇性地注入領域牆到位在一注入位置處 的奈米線，其中由它們所定義的該等領域牆或該等磁 性領域係用於編碼資料； ί起動該奈米線時，耩由施加反检接能量到該等 检接處所中選出的一些，沿著該奈米線以一段差方式 由一栓接處所遠離該注入位置移動該注入的領域牆到 下一個拾接處所，以使在所選出之栓接處所處的局部 增強的傳遞場域暫時地低於該操作場域；及 61 200814070 磁場 測量在該奈米線上至少一讀取位置處該奈 ，以讀取由該等領域或領域牆所編碼的資 米線之 料。