專利名稱：利用磁疇壁移動的數(shù)據(jù)存儲裝置及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)存儲裝置，更具體地講，涉及一種利用^茲性材料中
的磁疇壁(magnetic domain wall)移動的數(shù)據(jù)存儲裝置和操作該數(shù)據(jù)存儲裝置 的方法。
背景技術(shù)：
構(gòu)成鐵磁體的微小磁區(qū)稱為磁疇。磁疇中的所有電子的旋轉(zhuǎn)(即它們的磁 矩的方向)是相同的。磁疇的大小和磁化方向能夠根據(jù)磁性物質(zhì)的性質(zhì)、形狀 和大小以及外部能量而被適當(dāng)?shù)乜刂啤?br> 磁疇壁是具有不同》茲化方向的磁疇之間的邊界部分。磁疇壁能夠根據(jù)外 部磁場或施加于》茲性物質(zhì)的電流而移動。也就是說，具有特定》茲化方向的多 個磁疇能夠形成于具有預(yù)定寬度和厚度的磁層中，并且磁疇和磁疇壁能夠通 過使用磁場或具有適當(dāng)強(qiáng)度的電流被移動。
磁疇壁移動的原理能夠應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲裝置。例如，當(dāng)磁疇根據(jù)磁疇壁
的移動而經(jīng)過讀/寫;f茲頭時，可在沒有記錄介質(zhì)的物理移動(例如，旋轉(zhuǎn))的情
況下實現(xiàn)讀/寫數(shù)據(jù)的操作。因此，與通常的隨機(jī)存取存儲器(RAM)不同，應(yīng) 用了磁疇壁移動的原理的數(shù)據(jù)存儲裝置不需要用于指定讀(或?qū)?數(shù)據(jù)的基元 (cell)的字線(wordline),并且與硬盤驅(qū)動器(HDD)不同，不必旋轉(zhuǎn)這種數(shù)據(jù)存 儲裝置的記錄介質(zhì)。由于利用磁疇壁移動的數(shù)據(jù)存儲裝置具有相對簡單的結(jié) 構(gòu)和較小的比特大小(bit size),所以能夠?qū)崿F(xiàn)超過1萬億字節(jié)(l tera bytes)的 超大存儲容量。
然而，由于這種數(shù)據(jù)存儲裝置處于發(fā)展的第一階段，所以應(yīng)該解決幾個 問題以便這些數(shù)據(jù)存儲裝置可以投入實際應(yīng)用。特別地，需要研發(fā)一種在利 用磁疇壁移動的數(shù)據(jù)存儲裝置中實際應(yīng)用的記錄數(shù)據(jù)的方法。以下，將描述 傳統(tǒng)的利用磁疇壁移動的數(shù)據(jù)存儲裝置中的寫操作(以下，稱為傳統(tǒng)寫操作) 的問題。
傳統(tǒng)寫操作能夠分為利用外部磁場的方法和利用電子的自旋力矩(spin
torque)現(xiàn)象的方法。利用電子的自旋力矩現(xiàn)象的方法可分為利用巨磁阻(GMR) 的方法和利用隧道磁阻(TMR)的方法。
當(dāng)-茲層具有較大的i茲各向異性能(magnetic anisotropic energy)時，不能應(yīng) 用利用外部;茲場的方法，這意味著通過使用利用外部-茲場的方法不能實現(xiàn)具 有良好性質(zhì)和高記錄密度的數(shù)據(jù)存儲裝置。
在利用電子的自旋力矩現(xiàn)象的方法中，當(dāng)記錄數(shù)據(jù)的磁層的厚度大于預(yù) 定厚度(即，大約3nm)時，難以執(zhí)行寫操作。因此，利用電子的自旋力矩現(xiàn)象 的方法不能應(yīng)用于要求磁層的厚度大于100nm的垂直磁記錄方法。TMR或 GMR寫磁頭(writehead)具有鐵磁層(固定層，pinnedlayer)、分離層(絕緣層或 導(dǎo)電層)、和記錄數(shù)據(jù)的^f茲層順序堆疊的堆疊結(jié)構(gòu)。在堆疊處理中，由于分離 層的表面可能因蝕刻(etching)而損傷，所以寫操作的性質(zhì)可能惡化。另外，由 于TMR或GMR寫磁頭的形成需要多層薄膜處理，所以制造TMR或GMR 寫磁頭比較困難。
因此，需要研發(fā)一種不受記錄數(shù)據(jù)的磁層的性質(zhì)和尺寸限制的寫操作， 其中，從根本上防止寫操作的操作特性由于分離層損傷而惡化。
另外，需要研發(fā)一種包括相對于上述新的寫方法執(zhí)行適當(dāng)?shù)淖x操作的讀 磁頭的數(shù)據(jù)存儲裝置以及一種用于移動磁疇壁的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種包括數(shù)據(jù)記錄裝置的數(shù)據(jù)存儲裝置，該數(shù)據(jù)存儲裝置 不受記錄數(shù)據(jù)的磁層的性質(zhì)和尺寸的限制，其中，從根本上防止了數(shù)據(jù)存儲 裝置的才喿作特性由于蝕刻損傷而惡化。
本發(fā)明還提供了 一種操作該數(shù)據(jù)存儲裝置的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種數(shù)據(jù)存儲裝置，包括第一磁層，用 于寫數(shù)據(jù)，并包括在彼此相反的方向磁化的兩個磁疇；第二磁層，用于存儲 數(shù)據(jù)，并形成于第一^f茲層的至少一側(cè)。
所述數(shù)據(jù)存儲裝置可還包括數(shù)據(jù)記錄裝置，連接至第一^f茲層的兩端以 及第二^f茲層的與第一石茲層不相鄰的一端；讀^f茲頭，設(shè)置為與第二^f茲層的與第 一磁層不相鄰的所述一端相距預(yù)定距離；電流檢測器，連接至讀磁頭和數(shù)據(jù) 記錄裝置。
讀磁頭可設(shè)置于與第二磁層的所述一端接近的第二磁層的部分。
讀磁頭可包括順序形成于第二磁層的下表面的絕緣層、電極層、鐵磁自 由層、分離層和4失》茲固定層。
電極層和鐵磁固定層可連接至電流檢測器。
讀磁頭可包括順序形成于第二磁層的下表面的鐵磁自由層、分離層和鐵 磁固定層。
鐵磁固定層和第二磁層的所述一端可連接至電流檢測器。 可在第二磁層的所述一端和電流檢測器之間以及第二磁層的所述一端和 數(shù)據(jù)記錄裝置之間分別設(shè)置開關(guān)裝置。 數(shù)據(jù)記錄裝置可包括電流控制器。 數(shù)據(jù)記錄裝置可包括電壓控制器。
可形成多個第二^ 茲層，并且所述多個第二^ 茲層可按照規(guī)則的間隔形成。 多個第一^f茲層可具有堆疊結(jié)構(gòu)，并且所述多個第一^茲層中的每個第一^茲 層可具有形成于其上的多個第二^f茲層。
第一^f茲層和第二^f茲層可具有相同的材料。
第一磁層可滿足這樣的條件距離第一磁層的中心越遠(yuǎn)，第一磁層的兩
端中的至少一端的寬度越大。
第一磁層的兩端中的一端可具有比除了第一磁層的兩端以外的其余區(qū)域 大的寬度。
第一磁層的兩端可具有不同的尺寸。
第一^f茲層的兩端可具有不同的尺寸。
所述數(shù)據(jù)存儲裝置可還包括反鐵磁(AFM)層，形成于第一磁層的一端。
所述數(shù)據(jù)存儲裝置可還包括第一 AFM層和第二 AFM層，形成于第一 磁層的任一端并具有不同的Neel溫度Tn。
所述數(shù)據(jù)存儲裝置可還包括非磁層、鐵磁固定層和第一 AFM層，順 序設(shè)置于第一磁層的一端；和第二AFM層，形成于第一磁層的另一端。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作數(shù)據(jù)存儲裝置的方法，所述數(shù) 據(jù)存儲裝置包括第一磁層和第二磁層，第一磁層用于寫數(shù)據(jù)并包括在彼此相 反的方向磁化的兩個磁疇，第二磁層用于存儲數(shù)據(jù)并形成于第 一磁層的 一側(cè)， 所述方法包括將第 一磁層的磁疇之一延伸至第 一磁層的與第二磁層接觸的 部分；將第 一磁層的與第二磁層接觸的部分的磁疇向第二磁層移動與 一比特 的長度對應(yīng)的距離。
所述延伸的步驟可通過在第 一,茲層的兩端之間流動電流來執(zhí)行，所述移 動的步驟可通過從第二,茲層向第 一磁層流動電流來執(zhí)行。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作數(shù)據(jù)存儲裝置的方法，所述數(shù) 據(jù)存儲裝置包括第一磁層、第二磁層、數(shù)據(jù)記錄裝置、讀磁頭和電流檢測器， 第一磁層用于寫數(shù)據(jù)并包括在彼此相反的方向磁化的兩個磁疇，第二磁層用 于存儲數(shù)據(jù)并形成于第一磁層的一側(cè)，數(shù)據(jù)記錄裝置連接至第一磁層的兩端 以及第二磁層的與第 一磁層不相鄰的一端，讀磁頭被形成為與第二磁層的與 第一^f茲層不相鄰的一端相距預(yù)定距離，電流;險測器連接至讀-茲頭和數(shù)據(jù)記錄
裝置，所述方法包括利用讀磁頭和電流檢測器來讀取記錄在第二磁層的與 第 一磁層不相鄰的一端的數(shù)據(jù)；利用數(shù)據(jù)記錄裝置將在讀取數(shù)據(jù)的步驟中讀 取的數(shù)據(jù)記錄在第二石茲層的另 一端。
所述記錄的步驟可包括將第一磁層的磁疇之一延伸至第一磁層的與第 二磁層接觸的部分；將第 一磁層的與第二磁層接觸的部分的磁疇向第二磁層 移動與一比特的長度對應(yīng)的距離。


通過下面結(jié)合附圖對本發(fā)明示例性實施例進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的以 上和其他特點和優(yōu)點將會變得更加清楚，其中
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)存儲裝置的部分示圖； 圖2A至2D是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中的本發(fā)明的數(shù)據(jù)存儲裝置 的寫操作的示圖3是表示根據(jù)本發(fā)明另 一 實施例的數(shù)據(jù)存儲裝置的示圖； 圖4A至4C是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的圖3中的數(shù)據(jù)存儲裝置的讀操作 的示圖5是表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的數(shù)據(jù)存儲裝置的示圖； 圖6A至6C是表示根據(jù)本發(fā)明另 一實施例的圖5中的數(shù)據(jù)存儲裝置的讀 操作的示圖7和圖8是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)存儲裝置的示圖9A和圖9B是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的形成第一磁層的方法的俯視
圖IOA和圖IOB是表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的形成第一磁層的方法的
截面圖IIA和圖IIB是表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的形成第一磁層的方法的 截面圖12是表示根據(jù)本發(fā)明另 一 實施例的形成第 一磁層的方法的截面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行更充分的描述，其中，本發(fā)明的示例性實 施例表示在附圖中。在附圖中，為了清楚而夸大描述各層和各區(qū)的厚度。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)存儲裝置的部分示圖。參照圖1, 該數(shù)據(jù)存儲裝置包括用于寫入的第一磁層100,第一磁層100包括兩個磁疇， 即在彼此相反的方向磁化的第一磁疇Dl和第二磁疇D2。符號O指示第一方 向"Ml"上的^f茲化，符號^指示第二方向"M2"上的^F茲化。這些符號〇和@ 在其他附圖中具有相同的含義。
用于將第一磁層100電連接到下部結(jié)構(gòu)(未示出)的第一接觸插頭10和第 二接觸插頭20分別形成于第一;茲層100的端部El和E2的下表面。
當(dāng)電流通過第一接觸插頭10和第二接觸插頭20被提供給第一磁層100 時，作為第一磁疇D1和第二磁疇D2的邊界的磁疇壁"W"能夠在第一磁層 100中移動。才艮據(jù);茲疇壁"W"的移動方向，第一石茲疇D1和第二》茲疇D2的 大小被確定。當(dāng)電流從第一磁層100的一端E1流向另一端E2時，由于電子 從E2端向E1端移動，所以磁疇壁"W"以與電子相同的方向移動。圖l表 示磁疇壁"W，，移近第一磁層100的E2端的情況。
垂直于第一磁層100并包括多個磁疇D的用于存儲數(shù)據(jù)的第二磁層200 位于第 一磁層100的至少 一側(cè)表面上。磁疇D中的每個磁疇是單位區(qū)域，即 能夠存儲預(yù)定數(shù)據(jù)的單位比特區(qū)域。
第一磁層100和第二磁層200同時由包括Ni、 Fe和Co中的至少一種的 金屬形成。用于電連接到另一下部結(jié)構(gòu)(未示出)的第三接觸插頭30形成于第 二磁層200的不與第一磁層100相鄰的E3端的下表面。
通過第一接觸插頭10和第二接觸插頭20之一以及第三接觸插頭30，可 在第一磁層100和第二磁層200之間提供電流。例如，當(dāng)從第三接觸插頭30 向第一接觸插頭IO提供電流時，第一磁層100的與第二磁層200接觸的部分 的磁疇可移至第二磁層200。換句話說，第一磁層100的與第二磁層200接
觸的部分的磁疇可延伸至第二磁層200。如圖1中所示，當(dāng)?shù)谝淮艑?00的
與第二磁層200接觸的部分的磁疇是第 一磁疇Dl時，與第一磁疇Dl對應(yīng)的 數(shù)據(jù)被記錄在第二;茲層200的E4端。當(dāng)?shù)谝弧菲潓?00的與第二-茲層200接觸 的部分的磁疇是第二磁疇D2時，與第二磁疇D2對應(yīng)的數(shù)據(jù)被記錄在第二磁 層200的E4端。這里，電流是脈沖電流，并且-茲疇移動一個比特。
以下，參照圖2A至2D，將詳細(xì)地描述圖1中的數(shù)據(jù)存儲裝置的寫操作。 圖2A至2D是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中的本發(fā)明的數(shù)據(jù)存儲裝置 的寫操作的示圖。
參照圖2A,電流從圖1中的數(shù)據(jù)存儲裝置的第一^茲層100的一端El流 向另一端E2，由此，磁疇壁"W"從第一磁層100的E2端向El端移動。因 此，第二;茲疇D2延伸至第一》茲層100的與第二^茲層200接觸的部分。
參照圖2B,脈沖電流從第二^茲層200的一端E3流向第一^茲層100的另 一端E2，由此，第一石茲層100的與第二石茲層200接觸的部分的》茲疇延伸至第 二磁層200的E4端。因此，與第二磁疇D2對應(yīng)的數(shù)據(jù)(例如，"1")被記錄 在第二磁層200的E4端。
參照圖2C,電流從數(shù)據(jù)存儲裝置的第一^f茲層100的E2端流向El端， 由此，磁疇壁"W，，從第一磁層100的El端向E2端移動。因此，第一磁疇 Dl延伸至第一;茲層100的與第二磁層200接觸的部分。
參照圖2D，脈沖電流從第二;茲層200的E3端流向第一^茲層100的El 端，隨后，第一磁層100的與第二磁層200接觸的部分的磁疇延伸至第二磁 層200的E4端。因此，與第一磁疇D1對應(yīng)的數(shù)據(jù)(例如，"0")被記錄在第 二磁層200的E4端。
如上所述，在該數(shù)據(jù)存儲裝置中，通過使用適當(dāng)移動磁疇壁的方法將數(shù) 據(jù)記錄在存儲數(shù)據(jù)的第二磁層200，并且用于寫數(shù)據(jù)的第一磁層100形成于 與第二磁層200相同的層。通過使用相應(yīng)控制電流流動的相對簡單的方法， 在同一層中執(zhí)行了利用這種磁疇壁移動的寫操作。因此，該數(shù)據(jù)存儲裝置的 寫操作不受存儲數(shù)據(jù)的磁層的性質(zhì)和尺寸的限制。另外，從根本上防止了該 數(shù)據(jù)存儲裝置的操作特性由于蝕刻損傷而惡化。
該數(shù)據(jù)存儲裝置可還包括讀磁頭，用于執(zhí)行適合于利用^f茲疇壁移動的 寫操作的讀操作；和數(shù)據(jù)寫元件，設(shè)置在讀磁頭和第一磁層100之間。也就 是說，具有多種形狀的多種元件可連接至圖1中示出的結(jié)構(gòu)。圖3表示根據(jù)
本發(fā)明另一實施例的數(shù)據(jù)存儲裝置，在該數(shù)據(jù)存儲裝置中，多種元件連接至 圖1中的結(jié)構(gòu)。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的包括讀磁頭和數(shù)據(jù)記錄裝置的數(shù)據(jù) 存儲裝置(以下，稱為"第一數(shù)據(jù)存儲裝置，，)的示圖。第一數(shù)據(jù)存儲裝置是另 外包括幾個其他元件的圖1中示出的根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實施例的數(shù)據(jù)存儲裝
置。圖1和圖3中的相同標(biāo)號表示相同元件，因此，省略對它們的描述。
參照圖3，第一數(shù)據(jù)存儲裝置包括連接至第一磁層100的兩端El和E2 以及第二磁層200的一端E3的數(shù)據(jù)記錄裝置300。數(shù)據(jù)記錄裝置300可包括 電流控制器或電壓控制器。讀磁頭400a設(shè)置于第二磁層200的E3端。讀磁 頭400a可包括順序形成于第二磁層200的下表面的絕緣層1、電極層2、鐵 磁自由層3、分離層4和鐵》茲固定層5。分離層4可以是絕緣層或?qū)щ妼?，?最好是絕緣層。各堆疊層(諸如，鐵磁自由層3、分離層4和鐵磁固定層5)被 形成為具有與第二》茲層200的單個磁疇相同的寬度。用于電接觸的電極層2 被形成為從各堆疊層中伸出。絕緣層1可被形成為具有與電極層2相同的大 小，或者具有與各堆疊層中的每一層相同的大小。
雖然沒有示出，但是反鐵磁(AFM)層和電極層，或者另一方面，非磁層 (non-magnetic layer)、鐵磁固定層、AFM層和電極層可順序形成于鐵磁固定 層5的下表面。AFM層固定鐵磁固定層5的磁化方向。
第 一數(shù)據(jù)存儲裝置還包括連接在數(shù)據(jù)記錄裝置300和讀磁頭400a之間的 電流檢測器500。讀磁頭400a的電極層2和鐵磁固定層5通過分別設(shè)置于電 極層2和鐵;茲固定層5的下表面的第四接觸插頭40和第五接觸插頭50連接 至電流檢測器500。電流檢測器500是包括放大元件(諸如，讀出放大器，sense amplifier (S/A))的裝置，讀取記錄在第二磁層200中的數(shù)據(jù)，并將關(guān)于讀取的 數(shù)據(jù)的信息傳送給數(shù)據(jù)記錄裝置300。
以下，參照圖4A至4C，將描述圖3的數(shù)據(jù)存儲裝置的讀操作。 參照圖4A,在預(yù)定數(shù)據(jù)被記錄在第二;茲層200中之后，記錄在》茲疇中的 數(shù)據(jù)能夠被讀取。例如，在圖4A中，使用讀,茲頭400a和電流檢測器500來 讀取具有@磁化方向的磁疇。關(guān)于讀取的數(shù)據(jù)的信息被輸入至數(shù)據(jù)記錄裝置 300。
參照圖4B,通過使用接收關(guān)于讀取的數(shù)據(jù)的信息的數(shù)據(jù)記錄裝置300, 在第一磁層100的兩端之間提供電流，隨后，第一磁層100的磁疇壁"W" 沿預(yù)定方向移動，例如，沿/人第一;茲層100的E2端至El端的方向移動。因 此，第一磁層100的與第二磁層200接觸的部分的磁化方向是圾磁化方向。 參照圖4C，通過使用接收關(guān)于讀取的數(shù)據(jù)的信息的數(shù)據(jù)記錄裝置300， 在第一磁層100的E2端和第二磁層200的E3端之間提供電流，隨后，第一 磁層100的與第二磁層200接觸的部分的磁疇向第二磁層200的E4端延伸一 比特的長度。
當(dāng)由讀磁頭400a讀取的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)錄(transcribe)到第二磁層200的E4端 時，第二;茲層200的石茲疇壁從第二磁層200的E4端向E3端移動一個單位。 通過重復(fù)》茲疇的這種讀取和轉(zhuǎn)錄，當(dāng)?shù)诙艑?00的^茲疇壁從E4端向E3端 移動時，能夠讀fU己錄在第二^P茲層200中的所有l(wèi)t據(jù)。記錄在第二^f茲層200 中的數(shù)據(jù)的內(nèi)容在讀操作的前后是相同的。
雖然沒有示出，但是在第一數(shù)據(jù)存儲裝置中記錄新數(shù)據(jù)的寫操作基本上 與參照圖2A至2D描述的寫操作相同。這里，當(dāng)沒有執(zhí)行讀操作并且使用數(shù) 據(jù)記錄裝置300來移動第一磁層100和第二磁層200的^茲疇壁時，預(yù)定數(shù)據(jù) 能夠被記錄在第二石茲層200中。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明另 一 實施例的數(shù)據(jù)存儲裝置，在該數(shù)據(jù)存儲裝置中， 多種元件連接至圖1的結(jié)構(gòu)。
圖5是表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的包括讀磁頭和數(shù)據(jù)記錄裝置的數(shù)據(jù) 存儲裝置(以下，稱為"第二數(shù)據(jù)存儲裝置")的示圖。第二數(shù)據(jù)存儲裝置包括 圖1中示出的數(shù)據(jù)存儲裝置并且還另外包括幾個其他元件，第二數(shù)據(jù)存儲裝 置是對圖3中示出的第一數(shù)據(jù)存儲裝置的改進(jìn)。圖1、圖3和圖5中的相同 標(biāo)號表示相同元件，因此，省略對它們的描述。圖3和圖5中分別示出的第 一數(shù)據(jù)存儲裝置和第二數(shù)據(jù)存儲裝置之間較大的差別在于讀》茲頭的結(jié)構(gòu)。
參照圖5,第二數(shù)據(jù)存儲裝置包括讀磁頭400b，讀磁頭400b包括順序形 成于第二磁層200的下表面的鐵磁自由層6、分離層7和鐵磁固定層8。第六 接觸插頭60形成于鐵^f茲固定層8的下表面。分離層7可以是絕緣層或?qū)щ妼樱?但最好是絕緣層。各堆疊層(諸如，鐵磁自由層6、分離層7和鐵磁固定層8) 被形成為具有與第二磁層200的單個磁疇相同的寬度。雖然沒有示出，但是 AFM層和電極層，或者另一方面，非》茲層、鐵石茲固定層、AFM層和電極層 可另外順序設(shè)置于4失^f茲固定層8下面。
第三接觸插頭30可形成于第二^f茲層200的E3端的下表面，第三接觸插
頭30和第六接觸插頭60可連接到電流檢測器500。在當(dāng)前實施例中，開關(guān) 裝置(即，第一晶體管Tl和第二晶體管T2)可分別設(shè)置于第二磁層200的E3 端和電流檢測器500之間以及第二磁層200的E3端和數(shù)據(jù)記錄裝置300之間 以下，將參照圖6A至6C來描述圖5的數(shù)據(jù)存儲裝置的讀操作。參照圖 6A,在預(yù)定數(shù)據(jù)被記錄在第二磁層200中之后，記錄在第二磁層200的磁疇 中的數(shù)據(jù)能夠被讀取。例如，在圖6A中，使用讀磁頭400b和電流檢測器500 來讀取具有O磁化方向的磁疇。這種讀操作僅當(dāng)?shù)谝痪w管Tl和第二晶體 管T2中的第一晶體管Tl導(dǎo)通時執(zhí)行。關(guān)于讀取的數(shù)據(jù)的信息被輸入至數(shù)據(jù) 記錄裝置300。
參照圖6B,當(dāng)?shù)谝痪w管Tl截止并且第二晶體管T2導(dǎo)通時，通過使 用接收關(guān)于讀取的數(shù)據(jù)的信息的數(shù)據(jù)記錄裝置300,在第一磁層100的兩端 之間提供電流，隨后，第一磁層100的磁疇壁"W"沿預(yù)定方向移動，例如， 沿從第一磁層IOO的E2端至E1端的方向移動。因此，第一磁層100的與第 二磁層200接觸的部分的磁化方向是與剛剛讀取的磁疇相同的 磁化方向。
參照圖6C，通過使用接收關(guān)于讀取的數(shù)據(jù)的信息的數(shù)據(jù)記錄裝置300， 在第一f茲層100的一端(在這種情況下，為第一^茲層100的E2端)和第二;茲層 200的E3端之間提供電流，隨后，第一磁層100的與第二磁層200接觸的部 分的;茲疇向第二-茲層200的E4端延伸一比特的長度。
與圖4A至4C類似，當(dāng)在讀磁頭400b中讀取的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)錄到第二磁層 200的E4端時，第二磁層200的磁疇壁從第二磁層200的E4端向E3端移動 一個單位比特。通過重復(fù)這種讀取和轉(zhuǎn)錄，當(dāng)?shù)诙艑?00的磁疇壁從第二 磁層200的E4端向E3端移動時，能夠讀取記錄在第二磁層200中的所有數(shù) 據(jù)。記錄在第二磁層200中的數(shù)據(jù)的內(nèi)容在讀操作的前后是相同的。
雖然沒有示出，但是在第二數(shù)據(jù)存儲裝置中記錄新數(shù)據(jù)的寫操作基本上 與參照圖2A至2D描述的寫操作相同。此時，當(dāng)沒有執(zhí)行讀操作，僅第一晶 體管Tl和第二晶體管T2中的晶體管T2導(dǎo)通并且使用數(shù)據(jù)記錄裝置300來 移動第一磁層100和第二磁層200的磁疇壁時，預(yù)定數(shù)據(jù)能夠被記錄在第二 ,茲層200中。
如上所述，根據(jù)上述實施例，為了方便解釋而表示并描述了僅應(yīng)用一個 第二磁層200的情況。優(yōu)選地，在第一磁層100的至少一側(cè)，可按照規(guī)則的 間隔隔開多個第二^f茲層。
圖7和圖8表示形成多個第二磁層200的情況。參照圖8,包括第一磁 層100和多個第二^f茲層200的第一結(jié)構(gòu)Sl和第二結(jié)構(gòu)S2被堆疊，以便第二 結(jié)構(gòu)S2的第二磁層200可以分別設(shè)置于第一結(jié)構(gòu)Sl的第二^茲層200之間的 上方。在這種情況下，能夠提高集成度。與圖3和圖5中的第一數(shù)據(jù)存儲裝 置和第二數(shù)據(jù)存儲裝置類似，圖7和圖8中的兩種數(shù)據(jù)存儲裝置可還包括數(shù) 據(jù)記錄裝置300、讀磁頭400a和400b以及電流檢測器500。在圖7和圖8的 數(shù)據(jù)存儲裝置中，第一磁層100是用于在多個第二磁層200中記錄數(shù)據(jù)的公 共的寫裝置。也就是說，在第一磁層100的一端El和另一端E2之間提供電 流，隨后，磁疇壁"W"移向期望的位置。因此，期望的數(shù)據(jù)能夠被記錄在 特定的第二磁層200中。
如上所述，在所述數(shù)據(jù)存儲裝置中，不使用巨磁阻(GMR)寫磁頭或隧道 磁阻(TMR)寫i茲頭作為寫裝置，而是替代地使用第一》茲層100，其中，第一磁 層100形成于與第二磁層200相同的層。另外，通過適當(dāng)?shù)匾苿哟女牨?，?shù) 據(jù)能夠被記錄在第二磁層200中。因此，所述數(shù)據(jù)存儲裝置不受記錄數(shù)據(jù)的 磁層的性質(zhì)和尺寸限制。另外，從根本上防止了數(shù)據(jù)存儲裝置的操作特性由 于傳統(tǒng)GMR寫磁頭或TMR寫磁頭的分離層損傷而惡化。特別地，在所述數(shù) 據(jù)存儲裝置中，由于第一磁層100和第二磁層200形成于相同的層并且第一 磁層IOO被用作公共的寫裝置，所以能夠通過使用比傳統(tǒng)技術(shù)簡單得多的方 法來制造該寫裝置。
雖然所述數(shù)據(jù)存儲裝置的讀磁頭400a和400b是利用TMR或GMR效應(yīng) 的堆疊結(jié)構(gòu)，但是在讀石茲頭400a和400b的情況下，分離層的表面不會在蝕 刻期間由于分別設(shè)置于分離層的上下表面的鐵磁自由層和鐵磁固定層而被損 傷。同樣，由于損傷的分離層不會影響讀操作，所以如果分離層損傷，也幾 乎不會產(chǎn)生任何問題。
作為參考，將描述形成第一磁層IOO的方法。
雖然在本發(fā)明的上述實施例中簡化了第一磁層100,但是第一磁層100 的結(jié)構(gòu)可以有所變化或者第一磁層100的元件可以增多，以便在第一磁層100 中形成第一磁疇Dl和第二磁疇D2。例如，第一磁層100的El端和E2端中 的至少一端可形成為具有比除E1端和E2端以外的區(qū)域的寬度更大的寬度。 距離第一磁層100的中心越遠(yuǎn)，第一磁層100的El端和E2端中的至少一端 的寬度越大。El端和E2端可形成為具有不同的大小。AFM層可進(jìn)一步形成于El端，或者具有不同的Neel溫度(Neel temperature)TN的第一 AFM層和第 二AFM層可分別形成于E1端和E2端。最后，非;茲層、4失石茲固定層和第一 AFM層可進(jìn)一步順序形成于E1端，第二 AFM層可進(jìn)一步形成于E2端。
圖9A和圖9B是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的形成第一磁層的方法的俯視圖。
參照圖9A，為了形成根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實施例的第一磁層，作為形成第一 磁層的主要材料的磁層90a被形成為具有比磁層90a的其他區(qū)域?qū)挼腅l端和 E2端，并且滿足這樣的條件距離磁層90a的中心越遠(yuǎn)，磁層90a的寬度越 大。E2端的尺寸大于E1端的尺寸。當(dāng)形成-茲層90a時，第一外部i茲場Fl凈皮 施加于^茲層90a,并且在第一方向-茲化的第一^茲疇Dl形成于^茲層90a。
參照圖9B,磁化方向與第一外部磁場Fl相反并且強(qiáng)度比第一外部磁場 Fl小的第二外部磁場F2被施加于磁層90a。在與第一方向相反的第二方向磁 化的第二磁疇D2形成于E2端。磁疇壁"W，，存在于第一磁疇D1和第二磁 疇D2之間。因此，形成包括第 一磁疇D1和第二磁疇D2的第 一磁層1 OOa。 由于E2端大于El端并且因此E2端的磁化反轉(zhuǎn)(magnetization reversal)比El 端的磁化反轉(zhuǎn)容易，所以第二磁疇D2僅形成于E2端。
當(dāng)磁疇壁"W，，從E2端向E1端移動時，磁疇壁"W，，的移動距離可根 據(jù)提供給第一磁層100a的電流的大小來控制，磁疇壁"W，，不進(jìn)入E1端里 面。由于El端大于第一磁層100a的除E2端以外的區(qū)域并且距離第一磁層 100a的中心越遠(yuǎn)第一^茲層100a的寬度越大，所以El端中的電流強(qiáng)度減小。 由于相同的原因，當(dāng)磁疇壁"W"從E1端向E2端移動時，能夠防止磁疇壁 "W，，進(jìn)入E2端里面。因此，能夠防止第一磁疇D1和第二磁疇D2消失。
在形成第一-茲層100a的方法中，由于僅控制El端和E2端的形狀并且 不需要另外的層，所以可通過單個薄膜處理來形成第一磁層100a和第二磁層 200。
圖IOA和圖IOB是表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的形成第一磁層的方法的 截面圖。
參照圖10A,為了形成根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實施例的第一磁層，AFM層96 形成于作為形成根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實施例的第一磁層的主要材料的磁層90b的 El端。當(dāng)磁層90b和AFM層96被加熱至超過AFM層96的TN時，第一外 部磁場Fl被施加于-茲層90b，并且具有第一方向作為；茲化方向的第一磁疇
Dl形成于磁層90b。 AFM層96的下部(即，El端)的磁化方向被AFM層96 固定。
參照圖10B，磁層90b和AFM層96被冷卻，并且磁化方向與第一外部 磁場Fl相反的第二外部磁場F2被施加于磁層90b。因此，在與第一方向相 反的第二方向磁化的第二磁疇D2形成于磁層90b的除El端以外的區(qū)域。磁 疇壁"W"存在于第一磁疇Dl和第二磁疇D2之間，并且包括第一磁疇Dl 和第二磁疇D2的第一石茲層100b被形成。
圖IIA和圖IIB是表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的第一磁層的截面圖。 參照圖11A，為了形成根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實施例的第一磁層，具有不同Tn 的第一層96a和第二層96b分別形成于作為形成根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實施例的第 一磁層的主要材料的磁層90c的El端和E2端。例如，第一 AFM層96a的 Tn可以是300。C，第二 AFM層96b的Tn可以是200°C。當(dāng)磁層90c、第一 AFM層96a和第二 AFM層96b被加熱至超過300°C時，第一外部磁場Fl被 施加于磁層90c,然后，具有第一方向作為》茲化方向的第一》茲疇D1形成于》茲 層90c。
參照圖IIB，當(dāng)磁層90c、第一 AFM層96a和第二 AFM層96b的溫度 被控制為處于200至30(TC的范圍中時，磁化方向與第一外部》茲場Fl相反的 第二外部磁場F2被施加于》茲層90c。因此，具有與第一方向相反的第二方向 的磁化方向的第二磁疇D2形成于磁層90c的除El端以外的區(qū)域。磁疇壁"W" 存在于第一》茲疇Dl和第二-茲疇D2之間。由于加熱溫度不超過300°C ，所以 第一 AFM層96a下方的El端的》茲化方向不變。由于加熱溫度超過200°C， 所以第二AFM層96b下方的E2端的磁化方向改變。因此，形成包括第一磁 疇Dl和第二磁疇D2的第一磁層100c。
圖12是表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的形成第一磁層的方法的截面圖。 參照圖12,非磁層92、鐵磁固定層94和第一 AFM層96a順序形成于 作為形成根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實施例的第一磁層的主要材料的磁層90d的El端， 第二 AFM層96b形成于磁層90d的E2端。第一 AFM層96a和第二 AFM層 96b的Tn可以相同。當(dāng)磁層90d、第一 AFM層96a和第二 AFM層96b被加 熱至超過TN時，第二外部f茲場F2被施加于石茲層90d,并且具有第二方向作 為/F茲化方向的第二-茲疇D2形成于/f茲層90d的除El端以外的區(qū)域。第一 AFM 層96a下面的鐵》茲固定層94的磁化方向被固定為第二方向，El端的磁化被
固定為與第二方向相反的第一方向。也就是說，在第一方向磁化的第一磁疇
Dl形成于El端。因此，形成包括第一;茲疇Dl和第二》茲疇D2的第一》茲層 100d。
在根據(jù)本發(fā)明實施例的形成第一磁層的方法中，另外的層可形成于第一 磁層的兩端或一端，但所述另外的層用于將第一磁層固定為特定磁化方向而 非使寫操作性質(zhì)惡化。由于第一^f茲層用作公共的寫裝置并且另外的層形成于 第一^f茲層的兩端或一端，所以形成所述另外的層沒有任何困難。
如上所述，在數(shù)據(jù)存儲裝置中，第一磁層ioo用作寫裝置，其中，第一
磁層100被形成在形成存儲數(shù)據(jù)的第二磁層200的層上，并且數(shù)據(jù)通過適當(dāng) 地在第一磁層100和第二磁層200中移動磁疇壁而被記錄。因此，該數(shù)據(jù)存 儲裝置不受記錄數(shù)據(jù)的磁層的性質(zhì)和尺寸的限制。另外，從根本上防止了該 數(shù)據(jù)存儲裝置的操作特性由于傳統(tǒng)GMR寫磁頭或TMR寫磁頭中的分離層損 傷而惡化。
在所述數(shù)據(jù)存儲裝置中，由于第一磁層100和第二》茲層200形成于相同 的層并且第一磁層100被用作公共的寫裝置，所以相對于傳統(tǒng)技術(shù)能夠更容 易地制造該寫裝置，并且形成為與該寫裝置連接的接觸插頭和裝置的數(shù)量相 對于傳統(tǒng)技術(shù)能夠減小。因此，所述數(shù)據(jù)存儲裝置相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲裝 置具有更高的集成度和容量。
盡管已具體地表示了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述描 述是本發(fā)明的示例性實施例。例如，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以對 本發(fā)明的數(shù)據(jù)存儲裝置的元件進(jìn)行各種改變。特別地，數(shù)據(jù)存儲磁頭的讀磁 頭可具有各種結(jié)構(gòu)，諸如電流垂直于平面(CPP)-TMR、 CPP-GMR、電流在平 面內(nèi)(CIP)-GMR等。雖然根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)前實施例的第一磁層100和第二磁 層200具有垂直的磁各向異性，但本發(fā)明不限于此。也就是說，第一磁層IOO 和第二磁層200可具有水平的磁各向異性。盡管已參照本發(fā)明的示例性實施 例具體表示和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離由 權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對這些實施例進(jìn)行各種 形式和細(xì)節(jié)上的修改。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)據(jù)存儲裝置，包括第一磁層，用于寫數(shù)據(jù)，并包括在彼此相反的方向磁化的兩個磁疇；第二磁層，用于存儲數(shù)據(jù)，并形成于第一磁層的至少一側(cè)。
2、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，還包括數(shù)據(jù)記錄裝置，連接至第 一磁層的兩端以及第二磁層的與第 一磁層不相 鄰的一端；讀磁頭，設(shè)置為與第二;茲層的與第一磁層不相鄰的所述一端相距預(yù)定距離；電流檢測器，連接至讀磁頭和數(shù)據(jù)記錄裝置。
3、 如權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，讀;茲頭包括順序設(shè)置于第 二磁層的下表面的絕緣頭層、電極層、鐵磁自由層、分離層和鐵磁固定層。
4、 如權(quán)利要求3所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，電極層和鐵磁固定層連接 至電流檢測器。
5、 如權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，讀磁頭包括順序設(shè)置于第 二磁層的下表面的鐵磁自由層、分離層和鐵磁固定層。
6、 如權(quán)利要求5所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，鐵磁固定層和第二磁層的 所述一端連接至電流;險測器。
7、 如權(quán)利要求6所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，在第二-茲層的所述一端和 電流檢測器之間以及第二磁層的所述一端和數(shù)據(jù)記錄裝置之間分別設(shè)置開關(guān) 裝置。
8、 如權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，數(shù)據(jù)記錄裝置包括電流控 制器。
9、 如權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，數(shù)據(jù)記錄裝置包括電壓控 制器。
10、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，按照規(guī)則的間隔設(shè)置多 個第二磁層。
11、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，形成堆疊結(jié)構(gòu)的多個第 一磁層，所述多個第一磁層中的每個第一磁層具有設(shè)置于其上的多個第二磁 層。
12、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，第一磁層和第二磁層具 有相同的材料。
13、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，第一磁層滿足這樣的條件距離第一磁層的中心越遠(yuǎn)，第一磁層的兩端中的至少一端的寬度越大。
14、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，第一石茲層的兩端中的一 端具有比除了第一磁層的兩端以外的其余區(qū)域大的寬度。
15、 如權(quán)利要求13所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，第一石茲層的兩端具有不 同的尺寸。
16、 如權(quán)利要求14所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，其中，第一^f茲層的兩端具有不 同的尺寸。
17、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，還包括反鐵石茲層，設(shè)置于第 一磁層的一端。
18、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，還包括第一反鐵磁層和第二 反鐵磁層，形成于第一^茲層的任一端并具有不同的Neel溫度TN。
19、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲裝置，還包括非磁層、鐵磁固定層 和第一反鐵磁層，順序設(shè)置于第一磁層的一端；和第二反鐵磁層，設(shè)置于第 一^f茲層的另一端。
20、 一種操作數(shù)據(jù)存儲裝置的方法，所述數(shù)據(jù)存儲裝置包括第一磁層和 第二磁層，第一磁層用于寫數(shù)據(jù)并包括在彼此相反的方向磁化的兩個磁疇， 第二磁層用于存儲數(shù)據(jù)并形成于第一磁層的一側(cè)，所述方法包括將第 一磁層的磁疇之一延伸至第 一磁層的與第二磁層接觸的部分； 將第一磁層的與第二磁層接觸的部分的磁疇向第二磁層移動與一比特的 長度對應(yīng)的距離。
21、 如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述延伸的步驟通過在第一磁層 的兩端之間流動電流來執(zhí)行，所述移動的步驟通過從第二磁層向第一磁層流 動電流來執(zhí)行。
22、 一種操作數(shù)據(jù)存儲裝置的方法，所述數(shù)據(jù)存儲裝置包括第一磁層、 第二磁層、數(shù)據(jù)記錄裝置、讀磁頭和電流檢測器，第一磁層用于寫數(shù)據(jù)并包 括在彼此相反的方向磁化的兩個磁疇，第二磁層用于存儲數(shù)據(jù)并形成于第一 磁層的 一側(cè)，數(shù)據(jù)記錄裝置連接至第 一磁層的兩端以及第二磁層的與第 一磁 層不相鄰的一端，讀磁頭被形成為與第二磁層的與第 一磁層不相鄰的一端相 距預(yù)定距離，電流檢測器連接至讀磁頭和數(shù)據(jù)記錄裝置，所述方法包括利用讀磁頭和電流檢測器來讀取記錄在第二磁層的與第 一磁層不相鄰的一端的數(shù)據(jù)；利用數(shù)據(jù)記錄裝置將在讀取數(shù)據(jù)的步驟中讀取的數(shù)據(jù)記錄在第二磁層的另 一端。
23、如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述記錄的步驟包括 將第 一磁層的磁疇之一延伸至第 一磁層的與第二磁層接觸的部分； 將第 一磁層的與第二磁層接觸的部分的磁疇向第二^茲層移動與 一 比特的 長度對應(yīng)的距離。
全文摘要
提供了一種利用磁疇壁移動的數(shù)據(jù)存儲裝置及操作該數(shù)據(jù)存儲裝置的方法。該數(shù)據(jù)存儲裝置包括第一磁層，用于寫數(shù)據(jù)，并具有在彼此相反的方向磁化的兩個磁疇；第二磁層，用于存儲數(shù)據(jù)，并形成于第一磁層的至少一側(cè)。該數(shù)據(jù)存儲裝置可還包括數(shù)據(jù)記錄裝置，連接至第一磁層的兩端以及第二磁層的與第一磁層不相鄰的一端；讀磁頭，形成為與第二磁層的與第一磁層不相鄰的所述一端相距預(yù)定距離；電流檢測器，連接至讀磁頭和數(shù)據(jù)記錄裝置。
文檔編號G11C11/16GK101178929SQ20071014787
公開日2008年5月14日 申請日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月6日
發(fā)明者左圣熏, 曹永真, 金洸奭, 金起園, 黃仁俊 申請人:三星電子株式會社