專利名稱：多鐵性存儲(chǔ)介質(zhì)的制作方法
多鐵性存儲(chǔ)介質(zhì) 背景 增大磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件的容量的努力必須平衡磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)中的可寫(xiě)性、顆粒大 小以及磁各向異性。寫(xiě)磁頭只能產(chǎn)生有限的磁場(chǎng)，而此限制是由可在材料中獲得的最大體 磁化強(qiáng)度、可穿過(guò)導(dǎo)體的最大電流密度、以及磁頭到介質(zhì)的間隔設(shè)置的。如果介質(zhì)中的各向 異性被降低至其可被寫(xiě)磁頭寫(xiě)的水平，而且顆粒被制造得小到足以保持可接受的信噪比， 那么對(duì)大面密度而言介質(zhì)將不是熱穩(wěn)定的。這被稱為超順磁極限。 鐵電(FE)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)具有利用電場(chǎng)改寫(xiě)的優(yōu)點(diǎn)，而利用薄膜器件能產(chǎn)生非常 大的電場(chǎng)值。因此，具有非常大的各向異性的FE介質(zhì)可被薄膜器件改寫(xiě)，而具有非常小的 磁疇(以及窄的磁疇壁)的熱穩(wěn)定的FE介質(zhì)可被改寫(xiě)。 多鐵性材料(具有類似于自發(fā)FE畸變和磁有序的多個(gè)序參數(shù)的材料)是有吸引 力的材料，因?yàn)槿舾晒δ芸杀患稍谕黄骷?。同時(shí)呈現(xiàn)出FE和磁有序的多鐵性材料也 可稱為鐵電磁體。單相多鐵性通常呈現(xiàn)出充分低于室溫的轉(zhuǎn)變溫度和弱的剩余FE和磁極 化，這使他們不實(shí)用。 一個(gè)特例是BiFe03，其具有充分大于室溫的轉(zhuǎn)變溫度、高度可切換的 鐵電極化、但由于反鐵磁性有序而等于零的剩余磁化強(qiáng)度。需要適當(dāng)大的剩余磁化強(qiáng)度以 便從介質(zhì)盤的磁阻讀回，或極化攜帶電子的電流用于在固態(tài)存儲(chǔ)器件中的磁化取向檢測(cè)。 諸如垂直、自組織、外延的三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)之類的復(fù)合多鐵性示出強(qiáng)烈的鐵性質(zhì)，但難以制造 和缺乏例如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)所需的長(zhǎng)程有序。此外，復(fù)合多鐵性材料中典型的磁疇大小是約 100nm，而高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要小于10nm的位大小。磁疇指的是單鐵性基質(zhì)(FE或磁性) 中的單鐵性包含物(FE或磁性)。因此，強(qiáng)烈期望制造在室溫下具有穩(wěn)固FE和磁有序的單 相多鐵性材料。
概述 本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)包括多鐵性薄膜和在
該多鐵性薄膜中形成的鐵磁存儲(chǔ)疇。多鐵性薄膜可由BiFeOy或任意其它鐵電和反鐵磁材
料中的至少一種構(gòu)成。鐵磁存儲(chǔ)疇可通過(guò)離子注入工藝在多鐵性薄膜中形成。 本發(fā)明的另一方面提供一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)包括記錄頭和與該記
錄頭毗鄰的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)包括多鐵性薄膜和在該多鐵性薄膜中形成的鐵
磁存儲(chǔ)疇。多鐵性薄膜可由BiFeOy或任意其它鐵電和反鐵磁材料中的至少一種構(gòu)成。鐵
磁存儲(chǔ)疇可通過(guò)離子注入工藝在多鐵性薄膜中形成。 本發(fā)明的又一方面提供一種位規(guī)則(bit patterned)的多鐵性存儲(chǔ)介質(zhì)，該多鐵
性存儲(chǔ)介質(zhì)包括一層多鐵性材料和在該層多鐵性材料中形成的鐵磁存儲(chǔ)疇。 通過(guò)閱讀下面的詳細(xì)描述，這些以及各種其它的特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)顯而易見(jiàn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的示意圖。
詳細(xì)描沭
在一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及通過(guò)局部離子注入來(lái)自諸如例如BiFe03之類的單相多 鐵性材料的可切換鐵電性的和自發(fā)的磁化。通過(guò)光刻掩模對(duì)多鐵性薄膜的離子注入將產(chǎn)生 可用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高剩余磁化強(qiáng)度的柱或疇的圖案。碰撞離子會(huì)破壞螺旋的反鐵磁序(G 型)而且會(huì)引起內(nèi)含的柱形式的非零凈磁化強(qiáng)度的帶。在父多鐵性材料中的鐵電性與反鐵 磁性之間的強(qiáng)耦合將導(dǎo)致未注入的基質(zhì)中的鐵電性與注入?yún)^(qū)中的磁序之間的強(qiáng)耦合。此耦 合效應(yīng)由未注入?yún)^(qū)和注入?yún)^(qū)中局部旋轉(zhuǎn)之間的強(qiáng)互換作用調(diào)節(jié)。 在一個(gè)方面中，本發(fā)明提供通過(guò)離子注入工藝的多鐵性材料和鐵電膜的制造，其 中該多鐵性材料具有來(lái)自單相反鐵磁性的高鐵電性和磁性的極化。這樣設(shè)計(jì)的材料可被用 作例如存儲(chǔ)介質(zhì)，其中注入?yún)^(qū)的每一個(gè)將像位規(guī)則介質(zhì)中一樣以例如上或下磁化的形式存 儲(chǔ)信息。帶通過(guò)光刻被限定，從而與自組織的鐵電-鐵磁位規(guī)則介質(zhì)對(duì)比，能容易地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng) 程有序。涉及旋轉(zhuǎn)盤(例如硬盤驅(qū)動(dòng)器)或固定介質(zhì)(例如固態(tài)盤)的任意存儲(chǔ)方案都需要 位規(guī)則介質(zhì)中的長(zhǎng)程有序。本發(fā)明還消除了對(duì)用于EAMR(電輔助的磁記錄)方案的高磁致 伸縮材料的需要，因?yàn)樵诖饲闆r下磁電耦合是由互換作用而不是應(yīng)力調(diào)節(jié)的。另外，給予注 入條件調(diào)諧的可能性，還可在鐵電_反鐵磁基質(zhì)中產(chǎn)生內(nèi)含的磁球(magnetic spheres)。 此外，因?yàn)橹呕换|(zhì)反鐵磁序所釘扎，所以不需要用來(lái)穩(wěn)定鐵磁序的最小柱大小和Ku。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，具有室溫鐵電和反鐵磁序的單相材料可通過(guò)適當(dāng)?shù)碾x子 注入工藝被加工成呈現(xiàn)增強(qiáng)的自發(fā)磁化。首先，離子注入可通過(guò)打破導(dǎo)致產(chǎn)生超互換作用 的過(guò)渡金屬_氧_過(guò)渡金屬鍵打破反鐵磁序。其次，具有大的室溫凈磁化強(qiáng)度的新結(jié)構(gòu)/ 化學(xué)相能通過(guò)諸如熱退火之類的后注入工藝或在注入工藝期間形成。如果用例如鐵、鎳、 鈷、或錳離子、或任意其它合適的離子執(zhí)行此工藝，那么期望的磁相可在不依賴后注入工藝 的情況下形成。此外，用諸如鉑、或鉻之類的另外的非磁性物質(zhì)的離子注入對(duì)于期望鐵磁相 的穩(wěn)定性有好處。需要被注入物質(zhì)沿注入方向的濃度分布均勻，這可通過(guò)改變離子注入?yún)?數(shù)實(shí)現(xiàn)。 因?yàn)楦叩膬舸呕?"柱")從"體"反鐵磁材料制造并毗鄰該"體"反鐵磁材料，所 以他們通過(guò)磁交換彼此強(qiáng)烈地相互作用。這會(huì)導(dǎo)致柱磁化的釘扎，可通過(guò)與鐵電序的磁電 耦合局部改變周圍的反鐵磁配置來(lái)輔助柱磁化的交換。施加電場(chǎng)會(huì)改變鐵電極化的方向， 這會(huì)改變反鐵磁配置。弱磁場(chǎng)可被疊加在該電場(chǎng)上以使柱磁化沿期望方向排列。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)10的示意圖。在本發(fā)明的一個(gè)方 面中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)IO可以是位規(guī)則存儲(chǔ)介質(zhì)。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì) 10可以是多鐵性位規(guī)則存儲(chǔ)介質(zhì)。 仍參考圖l，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)10包括多鐵性材料層12。介質(zhì)10還包括多個(gè)鐵磁存 儲(chǔ)疇14，一般表示為如上所述通過(guò)離子注入工藝在多鐵性材料層12中形成的"柱"。疇14 被構(gòu)成層12的多鐵性材料的區(qū)12a(參見(jiàn)圖2)分隔開(kāi)。介質(zhì)10還可包括襯底13，襯底13 由例如其上形成了層12的用SrTi03緩沖的硅構(gòu)成。襯底13可包括在其上形成的軟磁性 層，其允許磁頭產(chǎn)生的磁通量返回。多鐵性材料層12可由BiFe03、或任意其它鐵電和反鐵 磁材料中的至少一種構(gòu)成。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，層12是鐵電材料。在本發(fā)明的另一個(gè) 方面中，層12是反鐵磁材料。在本發(fā)明的又一個(gè)方面中，層12是反鐵磁材料和鐵電材料。 多鐵性材料層12可通過(guò)例如諸如濺射、脈沖激光沉積、或化學(xué)汽相沉積之類的物理或化學(xué) 汽相沉積工藝形成。
仍參考圖l，在多鐵性材料層12中注入的鐵磁存儲(chǔ)疇14可按照例如"向上"或"向 下"的磁化狀態(tài)的形式存儲(chǔ)信息，以使信息可被寫(xiě)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)10以便存儲(chǔ)，且存儲(chǔ)在疇 14中的信息通過(guò)被讀回過(guò)程讀取。鐵磁存儲(chǔ)疇14可由鐵、鈷、鎳、錳、或諸如FePt或CoCrPt 之類的這些金屬的合金中的至少一種構(gòu)成。 如所述，鐵磁存儲(chǔ)疇14通過(guò)離子注入工藝被注入多鐵性材料層12中。離子注入 是非平衡技術(shù)，其中通過(guò)用被加速至過(guò)熱能量的帶電粒子的輻照將原子引入目的(襯底) 材料的表面區(qū)。此工藝不受熱力學(xué)因素限制，從而允許以別的工藝無(wú)法獲得的濃度和分布 引入摻雜劑(或缺陷/損傷中心)，從而提供潛在的獨(dú)一無(wú)二的材料加工能力。 一旦注入， 粒子通過(guò)與襯底原子的一系列獨(dú)立二元相互作用損失它們的移動(dòng)能量而停下。實(shí)質(zhì)上能量 通過(guò)原子核之間的碰撞彈性地?fù)p失和非彈性地到它們的電子云。由離子注入產(chǎn)生的注入 或移位的襯底原子的分布分別通過(guò)由高斯分布的峰值和寬度限定的投影射程(projected range J 和離散(straggle)統(tǒng)計(jì)地描述。 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面構(gòu)造的裝置——例如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)——的一部分的 示意圖。該裝置包括毗鄰數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)10定位的記錄頭20。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，記 錄頭20與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)IO接觸。記錄頭20包括寫(xiě)極22和返回極24。寫(xiě)極22和返回極 24通過(guò)軛26磁耦合。線圈28中的電流用來(lái)產(chǎn)生從寫(xiě)極22穿過(guò)介質(zhì)10延伸到返回極24 的磁通量。電極30靠近寫(xiě)極22定位。在此示例中，電極30通過(guò)絕緣材料32層與寫(xiě)極22 電絕緣。電壓源34連接到電極30，且在此示例中連接到介質(zhì)10。電壓源在電極30和介質(zhì) 10之間建立電壓，從而使介質(zhì)10經(jīng)受電場(chǎng)。電場(chǎng)可以接通和切斷，以使它僅在寫(xiě)期間接通。 所施加的電場(chǎng)將切換多鐵性材料區(qū)12a中的鐵電極化。因?yàn)槎噼F性區(qū)12a中的鐵電和反鐵 磁疇之間的內(nèi)在耦合，所以反鐵磁狀態(tài)也將受影響。因?yàn)橥ㄟ^(guò)離子注入形成的磁疇14與區(qū) 12a中的反鐵磁疇緊密接觸，所以前者將經(jīng)受與后者的強(qiáng)磁互換作用，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)這將導(dǎo) 致磁疇14中磁化方向和/或磁各向異性的改變。與電場(chǎng)相伴施加的弱磁場(chǎng)由寫(xiě)極22產(chǎn)生， 而且需要用其克服可能阻止磁疇14沿期望方向取向的額外的能量勢(shì)壘。
因此，將理解根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，圖2中所示的記錄頭20包括磁場(chǎng)寫(xiě)部件和 電場(chǎng)寫(xiě)部件。這兩個(gè)部件結(jié)合如本文中所描述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)io工作以提供具有例如多 鐵性位規(guī)則數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)可按照像常規(guī)磁硬盤驅(qū)動(dòng)器讀回方案一樣 的類似方式檢索。 上述實(shí)現(xiàn)以及其它實(shí)現(xiàn)在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，包括多鐵性薄膜；以及在所述多鐵性薄膜中形成的鐵磁存儲(chǔ)疇。
2. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述多鐵性薄膜是BiFe(V
3. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述多鐵性薄膜是鐵電材料。
4. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述多鐵性薄膜是反鐵磁材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述鐵磁存儲(chǔ)疇通過(guò)離子注入在 所述多鐵性薄膜中形成。
6. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述鐵磁存儲(chǔ)疇由鐵、鈷、鎳、和錳 的至少一種構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)被配置成位規(guī) 則存儲(chǔ)介質(zhì)。
8. —種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括 記錄頭；毗鄰所述記錄頭的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)包括 多鐵性薄膜；以及在所述多鐵性薄膜中形成的鐵磁存儲(chǔ)疇。
9. 如權(quán)利要求8所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述多鐵性薄膜是BiFe03。
10. 如權(quán)利要求8所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述多鐵性薄膜是鐵電材料。
11. 如權(quán)利要求8所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述多鐵性薄膜是反鐵磁材料。
12. 如權(quán)利要求8所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁存儲(chǔ)疇通過(guò)離子注入在 所述多鐵性薄膜中形成。
13. 如權(quán)利要求8所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁存儲(chǔ)疇由鐵、鈷、鎳、和 錳的至少一種構(gòu)成。
14. 如權(quán)利要求8所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)被配置和安排 成位規(guī)則存儲(chǔ)介質(zhì)。
15. 如權(quán)利要求8所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述記錄頭包括磁場(chǎng)寫(xiě)部件。
16. 如權(quán)利要求8所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述記錄頭包括電場(chǎng)寫(xiě)部件。
17. 如權(quán)利要求8所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述記錄頭包括磁場(chǎng)寫(xiě)部件和電 場(chǎng)寫(xiě)部件。
18. —種位規(guī)則多鐵性存儲(chǔ)介質(zhì)，包括 多鐵性材料層；以及在所述多鐵性材料層中形成的鐵磁存儲(chǔ)疇。
19. 如權(quán)利要求18所述的位規(guī)則多鐵性存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述多鐵性材料是 BiFe03。
20. 如權(quán)利要求18所述的位規(guī)則多鐵性存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述鐵磁存儲(chǔ)疇通過(guò) 離子注入在所述多鐵性材料層中形成。
全文摘要
一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)包括多鐵性薄膜和在該多鐵性薄膜中形成的鐵磁存儲(chǔ)疇。多鐵性薄膜可由BiFeO3、或任意其它鐵電和反鐵磁材料中的至少一種構(gòu)成。鐵磁存儲(chǔ)疇可通過(guò)離子注入工藝在多鐵性薄膜中形成。還提供了一種包括該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G11B9/02GK101794601SQ20091012835
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月29日
發(fā)明者F·扎瓦利徹, M·A·西格勒, P·G·皮徹, 趙彤 申請(qǐng)人:希捷科技有限公司