制造磁畴数据存储装置的方法 本申请是申请日为 2008 年 1 月 2 日、 申请号为 200810002213.2、 发明名称为 “磁 畴数据存储装置及其制造方法” 的专利申请的分案申请。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。