采用磁疇壁移動的存儲器裝置的制作方法

專利名稱：采用磁疇壁移動的存儲器裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種存儲器裝置，更具體地講，涉及一種用于通過引發磁疇 壁移動對數據進行寫入、存儲和刪除的存儲器裝置。
背景技術：
由于導致需要高容量的數據存儲的信息技術的發展，使得對能夠存儲大 量數據的數據存儲介質的需求持續增長。因此，數據存儲速度提高，開發出 使存儲裝置小型化的方法，結果，開發出種類廣泛的數據存儲裝置。廣泛使用的數據存儲介質是硬盤驅動器(HDD), HDD包括讀/寫頭和數據記錄在其 上的旋轉介質，并具有記錄100吉字節(GB)的數據或更多數據的容量。然 而，存儲裝置比如HDD中的旋轉部分容易磨損，使得這類器件的可靠性在長 期的使用之后的操作中受到可能出現故障的威脅。目前，對利用,茲疇壁移動原理的新型數據存^f諸器裝置正在進4于研究和開發。圖1A至圖1C是示出了使磁疇壁移動的原理的透視圖。參照圖1A，示 出了磁線10，磁線10包括第一磁疇11、第二磁疇12以及在第一磁疇11和 第二磁疇12之間的》茲疇壁13。下文中，在磁材料內的微磁區域將被稱作磁疇。在這種磁疇中，電子的 旋轉(即電子的磁矩方向)相同。可以通過改變磁材料的類型、磁材料的形 狀和尺寸以及被施加的外部能量，來調節這種磁疇的尺寸和磁化方向。磁疇 壁是分隔分別具有不同磁化方向的磁疇的區域。可以通過向磁材料施加磁場 或電流，來使這種磁疇壁移動或傳播(propagation )。如圖1A所示，在具有預定寬度和厚度的磁層中創建按預定方向設置的多 個》茲疇之后，可以利用,茲場或電流將f茲疇的,茲化方向反向。參照圖1B，當在從第二磁疇12向著第一磁疇11的方向上沿著磁線10 施加石茲場時，不茲疇壁13會沿著與施加外部》茲場的方向相同的方向移動，即， 沿著從第二磁疇12向著第一磁疇11的方向移動。利用相同的原理，當沿著
從第一磁疇11向著第二磁疇12的方向施加磁場時，磁疇壁13沿著從第一磁 疇11向著第二磁疇12的方向移動。參照圖1C，當沿著從第一,茲疇H向著第二,茲疇12的方向提供外部電流 時，磁疇壁13向著第一磁疇11移動。當提供電流時，電子沿著與電流的方 向相反的方向流動，^茲疇壁與電子沿著相同的方向移動。即，,茲疇壁沿著與 外部提供的電流的方向相反的方向移動。當沿著從第二磁疇12向著第一磁疇 ll的方向纟是提供移動磁疇的原理可以應用到存儲器裝置比如HDD或只讀存儲器 (RAM)。具體地講，通過利用移動磁材料的磁疇壁來改變磁材料中的磁布 置的原理，可以執行讀取/寫入二進制數據"0"和"1"的操作，所述》茲材料 具有按預定方向;茲化的》茲疇，其中，磁疇壁表示各磁疇之間的邊界。當電流 施加到線性磁材料時，磁疇壁的位置發生改變(即，磁疇壁傳播)，以讀取和 寫入數據，從而用簡單結構來構造高度集成的裝置。因此，移動磁疇壁的原 理可以應用于構造和使用與傳統的存儲器(如4失電隨機存取存儲器(FRAM )、 磁阻隨機存取存儲器(MRAM)和相變隨機存取存儲器(PRAM)裝置)相 比具有大得多的存儲容量的存儲器裝置。然而，將磁疇壁的移動應用于半導 體裝置仍然處于開發的初級階段，并且裝置具有比較低的數據存儲密度。因 此，需要具有為高密度裝置而優化的結構的利用磁疇壁移動的存儲器裝置。發明內容本發明提供了 一種采用磁疇壁移動的具有高的數據存儲密度和簡單結構 的存儲器裝置。根據本發明的一個方面，提供了一種存儲器裝置，該存儲器裝置包括 第一軌道層，沿著第一方向形成，并包含磁材料；互連層，形成在第一軌道 層上；第二軌道層，沿著第二方向形成在互連層上，并包含磁材料，其中， 第一軌道層和第二軌道層各具有從互連層延伸的部分，所述部分不與互連層 接觸，其中，互連層由磁各向異性常數比第一軌道層的磁各向異性常數和第 二軌道層的磁各向異性常數低的磁材料形成，其中，第一軌道層、第二軌道 層和/或互連層中的至少部分的磁化方向被重新調整。
存儲器裝置可具有如下構造或布置第一軌道層中不與互連層接觸的部分和第二軌道層中不與互連層接觸的部分彼此平行、彼此正交或者被設置成 4皮此交叉。第 一軌道層和第二軌道層可各形成為具有多層的結構。第一軌道層和第二軌道層可由磁各向異性常數在1(^J/m3和10、/1113之間 的》茲材并+形成。第 一軌道層和第二軌道層可由具有垂直磁各向異性的材料形成。 第一軌道層和第二軌道層可由包括CoPt和FePt中的至少一種的材料形成。第一軌道層和第二軌道層可各具有在lnm至100nm范圍內的厚度。 互連層可具有多層結構。互連層可由磁各向異性常數在1021/1113和1()Sj/mS之間的磁材料形成。 互連層可具有在10nm至100nm范圍內的厚度。互連層可由NiFe、 CoFe、 Ni、 Fe、 Co及包括NiFe、 CoFe、 Ni、 Fe、 Co 中的至少一種的合金中的至少一種形成。


通過參照附圖對本發明的示例性實施例的詳細描述，本發明的以上和其 它特征和優點將變得更清楚，在附圖中圖1A至圖1C是示出了磁疇壁移動的原理的透視圖；圖2是示出了根據本發明實施例的采用磁疇壁移動的存儲器裝置的透視圖；圖3是示出了根據本發明另一實施例的采用磁疇壁移動的存儲器裝置的 透視圖；圖4是示出了根據本發明另一實施例的采用磁疇壁移動的存儲器裝置的 透視圖；圖5A和圖5B是示出了根據本發明另一實施例的采用磁疇壁移動的存儲 器裝置的透視圖，更具體地講，示出了可以根據寫入軌道的磁化方向來將軟 磁互連層的i茲化方向重新調整的存儲器裝置的透視圖；圖6A至圖6H是示出了根據本發明實施例的采用磁疇壁移動的存儲器裝 置的數據寫入方法的透視圖。
具體實施方式
現在將參照根據本發明實施例的附圖來更充分地描述本發明。在附圖中， 為了清晰起見，夸大了層和區域的厚度。本發明提供了一種存儲器裝置，該存儲器裝置包括第一層，設置有具 有至少一個磁疇的第一軌道；第二層，設置有由^f茲材料形成的第二軌道；互 連層，形成在第一層和第二層之間。在整個說明書中，設置有第一軌道的第 一層有時也被表示為"第一軌道"。在整個說明書中，設置有第二軌道的第二 層有時也被表示為"第二軌道"。圖2是示出了根據本發明實施例的采用磁疇壁移動的存儲器裝置的透視圖。參照圖2，示出的存儲器裝置包括第一軌道21，沿著第一方向形成； 第二軌道23,沿著第二方向形成；軟石茲互連層22，形成在第一軌道21和第 二軌道23之間。在圖2所示的實施例中，第一軌道21和第二軌道23彼此平 行地形成，這樣可^C定義為平行型存儲器裝置。第一軌道21用作寫入軌道， 第二軌道23用作數據存儲軌道。第一軌道21和第二軌道23各由具有高的磁各向異性特性的材料形成， 以實現增加的數據記錄密度。可以使用磁各向異性常數為10"/1113或更高的材 料。在一個實施例中，可以使用》茲各向異性常數為1()Sj/m3至10、/1113的高Ku 材料。這種材料的具體例子為CoPt、 FePt及其合金，這些材料具有垂直磁化 特性。第一軌道21和第二軌道23可以形成為單層結構或多層結構。第一軌 道和第二軌道可以形成為線或帶的形式。第一軌道21和第二軌道23的厚度 可以為lnm至100nm。第一軌道21和第二軌道23的寬度可以在10nm至 500nm的范圍內。互連層22由磁各向異性特性低于第一軌道21和第二軌道23的磁各向異 性特性的低Ku材料形成。互連層22可以由磁各向異性常數低于103J/m3的 材料形成。在一個實施例中，互連層22可以由^茲各向異性常數在1(^J/m3和 103J/m3之間的材料形成。這種材料的具體例子為NiFe、 CoFe、 Ni、 Fe、 Co以及包括所述材料中 的至少一種材料的合金。互連層22的厚度可以為10nm或更大。在一個實施 例中，互連層22的厚度可以形成為在10nm和100nm之間。圖3是示出了根據本發明另一實施例的采用磁疇壁移動的存儲器裝置的 透視圖。參照圖3，存儲器裝置包括第一軌道31，沿著第一方向形成；第二軌 道33，沿著第二方向形成；互連層32,形成在第一軌道31和第二軌道33之 間。在圖3所示的實施例中，第一軌道31和第二軌道33彼此正交地形成， 下文中，這種被稱作正交型存儲器裝置。對于圖3所示的存儲器裝置，第二軌道33相對于第一軌道31的構造或 布置與圖2所示的第二軌道23的不同。然而，用于形成圖2所示的實施例的 相同的材料可以用于圖3所示的實施例的對應的軌道和層。圖4是示出了根據本發明第三實施例的采用磁疇壁移動的存儲器裝置的 透視圖。參照圖4,存儲器裝置包括第一軌道41，沿著第一方向形成；第二軌 道43，沿著第二方向形成；互連層42,形成在第一軌道41和第二軌道43之 間。在圖4所示的實施例中，第一軌道41和第二軌道43彼此交叉地形成， 下文中這種被稱作交叉型存儲器裝置。對于圖4所示的存儲器裝置，與圖3所示的存儲器裝置相比，第二軌道 43形成為^Mv互連層42的兩側延伸。圖2至圖4是示出了根據第一軌道和第二軌道的形成方向的存儲器裝置 的透視圖。對于根據本發明實施例的存儲器裝置的軌道，可以根據使用裝置 的環境來調節第一軌道、第二軌道和互連層的構造或布置。可以根據需要來 設置第 一軌道和第二軌道的方向。第 一軌道和第二軌道可以由可具有大量磁 疇的線或帶形成。圖5A和圖5B是示出了根據本發明另一實施例的采用磁疇壁移動的存儲 器裝置的透視圖。互連多層52是包括層52a、 52b和52c的多層。互連多層 52形成在第一軌道51上。第二軌道53沿著第二方向形成在互連多層52上。 與用在圖2所示的本發明的實施例中的材料相同的材料可以用于第 一軌道51 和第二軌道53及互連多層52。如上所述，互連多層52的材料可以具有103J/m3 或更小的磁各向異性常數。可以使用磁各向異性常數為1()2 [/1113至1()Sj/m3的 材料。例如，可以^吏用NiFe、 CoFe、 Ni、 Fe、 Co或包括NiFe、 CoFe、 Ni、 Fe和Co中的至少一種的材料。圖5A和5B示出了互連層52和第二軌道53的-茲化反向(magnetization reversion )。參照圖5A，第二軌道53的磁疇通過互連多層52移動到第一軌道 51。從第一軌道51向第二軌道53提供電流。參照圖5B，第一軌道51的磁 疇通過互連多層52移動到第二軌道53。從第二軌道53向第一軌道51提供 電流。圖6A至圖6H是示出了根據本發明實施例的采用磁疇壁移動的存儲器裝 置的數據寫入方法的透視圖。參照圖6A，第一軌道61平行于第二軌道63形成。互連層62形成在第 一軌道61和第二軌道63之間。這里，第一軌道61是寫入軌道，第二軌道 63是數據存儲軌道。由導電材料形成的第一導線El形成為與第二軌道63的 左端部連接。第二導線E2形成為與第一軌道61的左端部連接。第三導線E3 形成為與第一軌道61的右端部連接。具有向上的磁化方向的磁疇區Al和具 有向下的-茲化方向的i茲疇區A2形成在第一軌道61上。磁疇區Al通過磁疇 壁W與磁疇區A2分隔開。對于第二軌道63，磁化沿著向上的方向。沿著向 下方向的,茲化;陂設置為"0"，沿著向上方向的^f茲化祐j殳置為"1"。下面將描 述當^f茲化方向初始地沿著向上方向時在第二軌道63上將數據記錄為"0"的 描述。參照圖6B,通過在第一軌道61的各端部的第二導線E2和第三導線E3 來提供電流。參照圖6C，當使電流從第二導線E2流向第三導線E3時，磁疇壁W沿 著與電流的流動相反的方向移動。磁疇壁與電子的移動一起移動，使得磁疇 壁沿著與電流的方向相反的方向移動。因此，磁疇壁W向著第二導線E2移 動。結果，第一軌道61的磁疇區Al的長度減小，磁疇區A2的長度增加。 當磁疇區A2位于互連層62下面時，互連層62受到磁疇區A2的影響，并沿 著與磁疇區A2相同的方向》茲化。即，在互連層62出現;茲化反向。參照圖6D,在第一軌道61的左端部的第二導線E2被設置為OFF狀態， 在第二軌道63的左端部的第一導線El被設置為ON狀態。此外，使電流流 過第一導線El和第三導線E3。電流流動的方向被設置為從第一導線El到第 三導線E3，具有向下磁化的磁疇區A2通過互連層62向著第二軌道63擴展， 第二軌道63的磁疇區A3的磁化從向上方向反向為向下方向，由此，數據"0" 被記錄到第二軌道63上。第二軌道63的磁疇區A3的磁化反向導致在第二 軌道63中出現^茲疇壁W'。參照圖6E，為了佳J茲疇壁W'向著第二軌道63的左端部移動，使電子從
第三導線E3向著第一導線E1流動，即，沿著從第一導線E1到第三導線E3 的方向施加電 流o接著，將描述在數據"0"被記錄到第二軌道63上之后，記錄具有向上 ^茲化的^f茲疇區的過程，即，在第二軌道63上表現凄t據"1"的過程。參照圖6F,第一導線El被設置為OFF狀態，第二導線E2和第三導線 E3被設置為ON狀態，提供電流。參照圖6G，使電流從第三導線E3流向第二導線E2。當電流從第三導線 E3流向第二導線E2時，電子從第二導線E2向著第三導線E3移動。因此， 將具有向上》茲化的;茲疇區Al與具有向下磁化的,茲疇區A2分隔開的》茲疇壁W 沿著向著第一軌道61的右邊的方向移動。提供電流直到》茲疇壁W穿過第一 軌道61中互連層62與第一軌道61接觸的區域為止。-茲疇區Al接觸互連層 62，使得互連層62采用與第一軌道61的磁疇區Al相同的沿著向上方向的 磁化。參照圖6H，第一導線El和第二導線E2被設置為ON狀態，第三導線 E3被設置為OFF狀態。當電流從第一導線El向著第二導線E2提供時，電 子從第二導線E2向著第一導線E1移動。因此，第二軌道63的與互連層62 接觸的區域采用向上的磁化，以形成磁疇區A4。這導致在磁疇區A3和磁疇 區A4之間形成磁疇壁W"。當持續提供電流時，磁疇壁W"沿著第二軌道63 向著第一導線E1移動。因此，數據區"1"被創建在數據區"0"的右邊。根據本發明的實施例，用于傳播磁疇壁或使磁疇的反向磁化以對存儲器 裝置寫入數據和從存儲器裝置讀取數據的電流或磁場的強度和持續時間可以 根據層的材料、寬度和厚度來變化，并可以由本領域的技術人員來確定。此外，下面描述4艮據本發明實施例的如圖6A-6H所示的讀取存儲器裝置 中的數據的方法。磁阻傳感器(未示出)設置在第一軌道61下面。通過形成 在第一軌道61的右端部上的第三導線E3和形成在第二軌道63的左端部上的 第一導線E1提供電流。第二軌道63的磁疇向著第一軌道61的右側移動。磁 阻傳感器的阻值根據移動磁疇的磁化方向而變化。設置在第一軌道61下面的 磁阻傳感器可以通過測量阻值來讀取磁化的方向。可以根據需要來確定磁阻 傳感器的位置。本發明包括如下的優點。首先，當操作存儲器裝置時，與HDD中不同，存儲器裝置不是機械地或 物理地移動或接觸，并能夠記錄和讀取數據。因此，不發生機械磨損，使得 裝置適于應用在移動裝置中。此外，由于可以將存儲器裝置小型化，因此存儲器裝置可以被制造成能夠以兆兆比特/平方英寸(terabits/in2)的密度來存儲 數據的高密度裝置。其次，存儲器裝置的結構實質上得到簡化，使得裝置對于批量生產和再 現性具有優勢。雖然已經參照本發明的示例性實施例具體示出和描述了本發明，但是本 領域的普通技術人員應該理解，在不脫離如權利要求限定的本發明的精神和 范圍的情況下，可以在本發明中做出各種形式和細節上的改變。例如，根據 本發明的半導體器件可以是還包括讀/寫頭的存儲裝置(比如HDD)、還包括 讀/寫電極的存儲器裝置(比如RAM)和邏輯裝置。因此，本發明的范圍不 是由對本發明的詳細描述來限定的，而是由權利要求限定的，在范圍內的所 有差別將被理解為包括在本發明內。
權利要求
1、 一種存儲器裝置，包括第一軌道層，沿著第一方向形成，并包含,茲材料； 互連層，形成在第一軌道層上；第二軌道層，沿著第二方向形成在互連層上，并包含-茲材料， 其中，第一軌道層和第二軌道層各具有從互連層延伸的部分，所述部分 不與互連層^l妄觸，其中，互連層由磁各向異性常數比第一軌道層的磁各向異性常數和第二 軌道層的磁各向異性常數低的磁材料形成，其中，第一軌道層、第二軌道層和/或互連層中的至少部分的磁化方向被 重新調整。
2、 如權利要求1所述的存儲器裝置，其中，第一軌道層中不與互連層接 觸的部分和第二軌道層中不與互連層接觸的部分彼此平行、彼此正交或者被 設置成彼此交叉。
3、 如權利要求1所述的存儲器裝置，其中，第一軌道層和第二軌道層各 具有多層的結構。
4、 如權利要求1所述的存儲器裝置，其中，第一軌道層和第二軌道層各 由磁各向異性常數在105 [/1113和10、/1113之間的磁材料形成。
5、 如權利要求1所述的存儲器裝置，其中，第一軌道層和第二軌道層各 由具有垂直磁各向異性的材料形成。
6、 如權利要求1所述的存儲器裝置，其中，第一軌道層和第二軌道層各 由包括CoPt和FePt中的至少一種的材料形成。
7、 如權利要求1所述的存儲器裝置，其中，第一軌道層和第二軌道層各 具有在lnm至100nm范圍內的厚度。
8、 如權利要求1所述的存儲器裝置，其中，互連層具有多層結構。
9、 如權利要求1所述的存儲器裝置，其中，互連層由磁各向異性常數在 102J/m3和103J/m3之間的》茲材料形成。
10、 如權利要求1所述的存儲器裝置，其中，互連層具有在10nm至100nm 范圍內的厚度。
11、 如權利要求1所述的存儲器裝置，其中，互連層由NiFe、 CoFe、Ni、 Fe、 Co及包括NiFe、 CoFe、 Ni、 Fe、 Co中的至少一種的合金中的至少 一種形成。
全文摘要
本發明提供了一種采用磁疇壁移動的存儲器裝置。該存儲器裝置包括第一軌道、互連層和第二軌道。包含磁材料的第一軌道沿著第一方向形成。互連層形成在第一軌道上。包含磁材料的第二軌道沿著第二方向形成在互連層上。
文檔編號H01L43/08GK101145597SQ20071015409
公開日2008年3月19日 申請日期2007年9月14日 優先權日2006年9月15日
發明者李成喆, 林志慶, 金恩植 申請人:三星電子株式會社