CN101278353B - 纳米线磁性随机存取存储器 - Google Patents

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Abstract

非易失性磁性随机存储器的集成阵列，每个存储器都具有固定磁化方向的第一磁性层(10)；具有可变磁化方向的自由磁性层(20)；将第一磁性层与自由磁性层相分离的分隔层(30)，以及器件选择开关(40)，所述层和至少一部分开关形成为诸如纳米线之类的柱状结构。优选地，所述开关和柱状纳米线结构整体形成。通过将柱状结构中的开关合并进磁性中，器件可以做的更小以能够实现更大的集成。这可以应用于使用外部场或只使用在柱状结构中产生的场的磁性器件。写入电流可以沿柱状结构正向或反向耦合，以根据电流的方向改变自由磁性层的磁化方向。

Description

纳米线磁性随机存取存储器
技术领域
本发明涉及磁性器件和这种器件的集成阵列，尤其是存储器，以及这种器件的制造方法。
背景技术
利用自旋极化电子流的磁性器件公知为磁性非易失性存储器。通常这种器件包括至少两个由诸如金属或绝缘体之类的非磁性材料分离的铁磁性电极。电极的厚度一般在1nm到50nm之间。器件的阻抗取决于磁性电极的相对磁化方向，例如它们是平行排列还是反平行排列(即磁化呈平行线，但是指向相反的方向)。通常其中一个电极固定的磁化，也就是比另一个电极具有更大的矫顽力，同时需要更强的磁场或自旋极化电流来改变其磁化方向。第二层公知为自由层，其磁化方向可相对于第一层改变以存储“1”或“0”。两种状态的器件阻抗有所不同，因此可以将器件阻抗用来读取状态，区分“1”和“0”。在传统的磁性随机存取存储器(MRAM)设计中，磁场通过使用位于磁性层附近的载流导线来改变自由层的磁化方向。串扰会限制存储器的密度和/或造成存储操作错误。还有，这些导线在电极位置处产生的磁场仅限于大约0.1特斯拉，因此会导致较慢的器件操作。
也可以用穿过自由层的自旋极化电流直接改变磁场取向。如美国专利申请2005/0041462所述，流动电子的自旋角动量与磁性区的本底磁化直接作用。移动中的电子将自己的一部分自旋角动量传递给本底磁化，在该区磁化上产生扭矩以改变磁化方向。磁化层的优选轴一般都是“垂直的”(即相同方向或取向)。这份专利申请建议使用磁化不平行于同一个轴的层来提高速度、可靠性以及功率消耗。使用磁性层的柱状叠层，宽度下至200nm。沿穿过叠层的一个方向上的电流脉冲将使磁场旋转180度，改变状态。沿同一方向的另一个电流脉冲再使磁场旋转180度，回到原来的状态。
因此，将使用两个电流脉冲改变磁化方向，以提高写入速度：第一个脉冲用于开始旋转磁化方向，沿另一个方向的停止脉冲用于停止旋转。这样就减少了磁化方向的进动时间。
将需要针对金属铁磁体切换磁化方向的高临界电流密度报告为是个很难的问题。在金属铁磁体中，用于磁化方向反转的临界电流大约为107到108A/cm2。这一电流密度对于集成电路中使用的许多材料(例如金属)而言太高了。高电流密度也就意味着高功率消耗。
根据美国专利申请2004 0257894中公知的是提出了一种场效应磁性自旋手控器件，用于通过电场载流子掺杂写入MRAM。所述器件使用稀磁半导体(DMS)材料。稀磁半导体区通过FET电场切换。
根据Applied Physics Letters 86，032506(2005)公知的是提出了一种铁磁性Mn掺杂GaN纳米线。稀磁半导体(DMS)是5％Mn掺杂的GaN半导体。5％Mn掺杂的GaN纳米线已经利用Ga/GaN/MnCl2和NH3反应进行化学气相沉积制得。纳米线的直径为40-70nm。5％Mn掺杂的GaN纳米线在室温具有铁磁性。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的磁性器件，和/或这种器件的集成阵列，尤其是存储器，和/或这种器件的制造方法。根据第一方面，发明提供：
磁性器件，包括：具有固定磁化方向的第一磁性层；具有可变磁化方向的自由磁性层；将第一磁性层与自由磁性层相分离的分隔层；以及诸如开关之类的选择装置，用于选择磁性器件，所述层和至少一部分选择装置(例如开关)形成为的柱状结构。开关由柱状结构整体形成。优选地，柱状结构是纳米结构。该纳米结构可以是纳米线或纳米管或其他类似结构。
通过将选择装置(例如开关)合并进柱状结构和磁性层，可以磁性器件做的更小，以能够实现更大的集成或更低的制造成本。集成还可以提高写入速度，并且允许较高的存储密度。由于将选择器件合并入柱状结构，选择装置不需要附加的空间。当写入电流较小时，漏磁场减小。然而，由于使用纳米结构，电流密度很高。
本发明可应用于使用外部磁场或仅用在磁性器件上产生的场的磁性器件，例如柱状结构。本发明还可以应用于自旋电子器件(spintronicdevice)。
磁性器件可以配置为呈存储器并且具有电路，所述电路配置用于向沿所述柱状结构的电流耦合足够自旋极化电流密度，以改变自由磁性层的磁化方向。
沿柱状结构的电流可以是正向或反向的，用于以根据电流方向向存储器写入值。
这样可以在无外加场以及无需设定写入电流等级以改变状态的情况下写入器件或切换器件。因此，器件可以更简单、容易的制造，而且更紧凑。通过使用写入过程的电流诱发磁化反转可以降低读取和写入功率损耗。反转可以发生地执行，例如在几百个皮秒。当写入电流较小时，漏磁场减小。
一个或多个磁性层可以包括稀磁半导体材料(DMS)。各层形成为柱状结构以及DMS材料的使用有助于使得自旋极化电流密度能够达到所需水平，因此不需要外加场来改变方向。
本发明的优势在于可在一个步骤中生长存储单元和选择装置，例如外延生长。在这一步骤中可以引入所需的杂质原子，例如针对选择装置的n掺杂剂或p掺杂剂以及针对存储单元的磁性杂质，诸如Mn、Co和Fe，无需异质结构。例如，半导体材料可以是GaN、GaAs或InN。
磁性器件分隔层的厚度配置为使得自由层在第一磁性层多数载流子的自旋翻转长度内。更加有利的是，DMS材料的自旋翻转长度比金属的大得多。
分隔层的厚度应该比第一磁性层和自由层之间的磁性耦合长度(例如层间交换耦合或其他磁性耦合，诸如剥离耦合)大，因为自由层应该能够旋转。DMS层间的磁性耦合比铁磁性或亚铁磁性金属的磁性耦合弱。
优选地，包括DMS层在内的柱状结构是n型掺杂半导体层结构。优选地，柱状纳米结构和DMS区是n掺杂剂，因为电子比空穴具有更长的自旋翻转长度。但是总体而言空穴也是可以使用的。电子可在100微米长的距离无相位差的情况下进行自旋。
另一方面提供了这种器件的集成阵列。
本发明另一方面提供了具有与第一磁性层磁化方向不同的固定磁化方向的第二磁性层。
柱状结构可以包括两个不同厚度的区域，这些区域被磁性原子掺杂以使这些区域转变成为稀磁半导体(DMS)。较薄的DMS区域是自由层，作为存储单元存在并存储在磁化方向内的信息。较厚的DMS区域是第一磁性层，用于写入信息，即利用电流诱发磁化反转来旋转较薄的DMS区域的磁化方向。施加较小电压并且测量通过柱状结构中的电流可以执行出信息的读出，即磁化方向。电流大小取决于两个DMS区域的相对磁化方向。在平行对齐的情况下电流大于反平行对齐情况下的电流，因为在两个DMS区域中电子状态是相同的。在反平行对齐时，“自旋向上”的电子监测在另一DMS区域中的“自旋向下”电子的电子态，因此电流减小。如果电流密度大于临界电流密度，通常为105到107A/cm2的量级，自旋极化电流可以反转DMS区域中的磁化方向。
优选地，所述至少一部分柱状结构呈管状。
在具有衬底的集成存储阵列，柱状结构与衬底垂直地排列。
所述阵列具有连接同行阵列中的器件开关的第一选择线，以及连接不同行中器件的柱状结构顶部或底部的第二选择线。
本发明还涉及制造磁性器件阵列的方法，该阵列包含在衬底上外延生长的磁性层以形成柱状结构。
在任意导电衬底上，柱状结构(诸如直径在20-100nm，长度在几百个纳米至几个微米的半导体纳米线(SC-NW)或纳米管)都是外延生长。这种纳米线的生长可以通过VLS生长来执行。但是也可以使用其他生长技术，例如标准的光刻技术和刻蚀技术。外延技术保证了垂直生长以及良好的电接触，但是对于存储器的工作原理并不重要。由于自旋运动以及所有自旋相关的散射事件(即自旋相关运动)都发生在纳米线或纳米管的内部，因此需要良好的结晶度。柱状结构包括两个区域，这两个区域都被铁磁性原子掺杂以形成稀磁半导体(DMS)。例如，可以通过向GaN掺杂少量Mn形成(Ga1-xMnx)N来实现。但是也可能有其他可能的组合。优选地，纳米线和DMS区域是n掺杂剂，因为电子比空穴具有更大的自旋翻转长度。但是一般而言也可以使用空穴。
电子可在100微米长度上无相位差的情况下进行自旋。DMS纳米线在高于室温的居里温度生长。重要的是两个DMS区域的厚度是不同的，从而较厚的区域不改变其磁化方向。优选地，两个区域的分隔的厚度比层间交换耦合或其他磁性耦合大，诸如剥离耦合。这样保证了薄的DMS区域的自由旋转。但是同时，所述距离应小于多数载流子的自旋翻转长度。这保证了自旋极化电流从一个DMS区域到达另一个DMS区域，以改变磁化方向。较薄的DMS区域作为存储单元，通过其磁化方向存储信息。
由于存取晶体管不需要附加的空间，因此在柱状结构中集成存取(场效应)晶体管是有利的。这意味着存取晶体管不会限制可量测性。存取晶体管可以放置在有源器件的上方或下方。
该方法还包括在每个柱状结构周围形成栅极电介质。
每个柱状结构周围的填料形成至沟道，并且在栅极电介质周围的填料上形成针对每个柱状结构的栅极电极。
通过在半导体柱状结构和金属栅极电极之间沉积栅极电介质，通过施加负的栅极电压来耗尽n掺杂剂半导体柱状结构中的电子。这将使穿过半导体柱状结构中的电流减小若干个数量级，因此可以控制读取和写入过程。此外，周围的场效应晶体管适用于千兆赫兹量级的高切换频率。存取晶体管不一定是FET，但是可以是双极型晶体管或其他类型的晶体管。通过在有源器件上方或下方形成n-p-n或p-n-p的掺杂分布，在半导体纳米线中制造了双极型晶体管。通过接触中间基区，穿过纳米线的电流可由该连接处的电压控制。
所述方法还包括形成第二磁性层为许多柱状结构上的线，以形成第二选择线。
本发明的其他方面包括制造这种器件或器件阵列的方法。
更多的特征和优点将在下文中描述。任何其他特征都能组合在一起，或和任何方面结合。本领域普通技术人员应该知道其他优点，尤其是超越其他现有工艺的优点。在不背离本发明权利要求书的前提下，可以进行许多变化和改进。因此，应当清楚本发明的形式仅为示例性，而不是意图限于本发明的范畴。
附图说明
现在将参考附图中的示例描述本发明是如何实施的。
图1示出了具有有选择装置的存储器实施例的示意图；
图2到图5示出了根据实施例描述的存储器的写入和读取过程的示意图；
图6示出了替代实施例(和图1比较)。为了读取过程，增加了与附加分隔层310连接的电极，以对区域20的磁化方向更为敏感；
图7和图8示出了固定具有图1所示选择装置的存储器中区域10的磁化方向的替代实施例；
图9示出了根据实施例所述存储器阵列的示意图；以及
图10到图15示出了根据实施例所述的制造过程的各个步骤。
具体实施方式
本发明的描述将参考特殊实施例和特定附图来描述，但是发明不局限于此，而只受权利要求的限制。权利要求书中的任何参考符号都不用于限制范畴。附图中描述的只是示意图且非受限。在附图中，为了示例目的，部分元件的尺寸被夸大，而非按比例绘制。本描述和权利要求书中使用术语“包括”的地方，不排除其他元件或步骤。当不定或确定条款使用单数名词如“a”或“an”时，除非有其他特殊声明，它包括这个名词的复数。
此外，描述和权利要求书中的第一、第二、第三和其他类似的术语仅用于区分相似元件，无需描述次序或时间顺序。应当理解，这么使用的术语在适当的情况下可以互换，这里描述的本发明的实施例可用于其他顺序的操作，而不仅向这里描述或示意的那样。
所述实施例示出了一种新的存储器概念：纳米线或纳米管磁性随机存取存储器(NW-MRAM)。实施例可被应用于微电子的新领域，即磁电子学或自旋电子学[参见Prinz，Science 282，1660(1998)；Wolf等人，Science 294，1488(2001)]。实施例探索了和电子自旋一样广泛应用于微电子学的电子电荷组合，以在硬盘上进行信息存储。尽管所示的是作为存储器使用，其他应用，诸如切换和读取都包括在本发明的范畴内。
在优选实施例中，选择装置和存储器在诸如纳米线之类的同一柱状结构上生长。术语“柱状纳米结构”试图涵盖一个拉长几何形状的较宽范围，包括线、管或其他可以提供所需电流密度的形状。
其他特征如下：选择装置可包括开关，例如可以包括晶体管，如场效应晶体管、双极型晶体管或其他晶体管，它们可以和柱状纳米结构整体生成。包括晶体管沟道的开关部分可位于柱状结构的一端。晶体管可以具有有与柱状结构相邻或围绕柱状结构的栅极电介质。所述晶体管可以具有与沟道相邻或围绕沟道、并且由栅极电介质隔离的栅极电极。一个或多个磁性层可包括稀磁半导体材料DMS。在这一过程中，可以引入所需杂质原子，例如针对选择装置的n掺杂剂或p掺杂剂，针对存储单元的磁性杂质如Mn、Co和Fe，无需异质结构。例如半导体材料可以是GaN、GaAs或InN。
磁性杂质是薄的铁磁性磁盘，形成单个铁磁畴。该单个铁磁畴的磁化方向可在少于200皮秒内切换，导致写入速度超过1千兆赫。此外，由于磁化图案的漩涡状态(vortex state)，它们仅具有小的漏磁场。连同没有大磁场来旋转磁化方向，这将导致纳米线(NW)-MRAM良好的可量测性。
分隔层的厚度使得自由层在第一磁性层多数载流子的自旋翻转长度内。第二磁性层可具有和第一磁性层磁化方向不同的固定磁化方向。
磁性器件可以配置为存储器，所述存储器具有附加电路，所述向沿柱状结构的电流耦合足够的自旋极化电流密度，以改变自由磁性层的磁化方向。所述电流可以与柱状结构正向或反向耦合，以根据电流的方向向存储器写入值。至少部分柱状结构呈管状。优选地，柱状结构具有纳米尺寸，例如优选地，柱状结构的宽度在10到100nm之间，优选地为10-40nm。
集成存储器阵列可以具有衬底和上述磁性器件的阵列。器件的柱状结构可与平面衬底垂直。第一选择线连接同一行阵列的磁性器件(诸如开关)中的选择装置，并且第二选择线连接在不同列中柱状结构的顶部或底部。
制造阵列的方法可包括在衬底上外延生长磁性层的步骤，以形成柱状结构，以及在每个柱状结构周围形成栅极电介质的步骤。衬底可从任何适合的半导体衬底中选取。
本发明的实施例中，术语“衬底”可以包括任何下层材料或可以使用的材料，或其上可以形成器件、电路或外延层。在替代实施例中，“衬底”可能包括半导体衬底，例如掺杂硅、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、锗(Ge)或硅锗(SiGe)衬底。例如，“衬底”可以包括除了半导体衬底外的绝缘层，如SiO2或Si3N4层。因此，术语衬底也包括玻璃基硅、蓝宝石上硅衬底。术语“衬底”因此用于限定通常位于感兴趣层或部分下面的元件。同样，“衬底”可以是任何其上可形成层的基底，例如玻璃层或金属层。
每个柱状结构层之间直到栅极区域都可以形成填料。并且可以在栅极电介质周围的填料上形成用于每个柱状结构的栅极电极。第二磁性层可以形成为许多柱状结构上的线以形成第二选择线。
根据实施例，磁性存储器可以具有柱状结构，柱状结构是在底部电极上上垂直生长并且且通过顶部电极在顶部上接触的半导体纳米线的形式。纳米线可以有两个厚度不同的磁性区，磁性区被磁性原子掺杂，因此这些区域转变成为稀磁半导体(DMS)。在这个实施例中，较薄的DMS区域是存储单元的自由层20，且存储磁化方向内的信息。较厚的DMS区域10用于写入信息，即利用电流诱发磁化反转的方法旋转较薄DMS区域的磁化方向。这意味着减小了外加磁场或不需要使用外加磁场来写入。施加较小电压并且测量通过纳米线的电流执行信息的读出，即磁化方向的读出。电流大小取决于两个DMS区域的相对磁化方向。在平行对齐的情况下电流大于反平行对齐时的电流，因为在两个DMS区域中电子状态是相同的。在反平行对齐时，“自旋向上”的电子监测在另一DMS区域中的处于“自旋向下”的电子状态，因此电流减小。
本发明实施例可具有超过1千兆赫区域的写入速度，都是非易失性存储器，具有低功率损耗和高存储密度。与标准的MRAM相比，它们可以体现出低功率损耗、和/或较低漏磁场、和/或较高的封装密度。它们可用于计算机存储器以及其他方面。
磁化方向的反转通过来自较厚的DMS区域或来自铁磁性顶部电极的自旋极化电流实现。利用施加较小电压和测量所述电流来执行读取。电流取决于较薄DMS区域相对于较厚DMS区域的磁化方向。可以理解，自旋相关传输可能穿过两个DMS区域，由于磁矩的反平行排列时电子处于不同状态。这与传统MRAM相反，其中较薄铁磁性图案的磁化方向的反转是通过施加穿过位线和字线的大电流以及使用产生的磁场来执行以反转磁化方向。由于写入MRAM单元的电流较大，功率损耗很高；由于电流导线周围的漏磁场，存储器密度受到限制，或者需要漏磁场的复杂屏蔽。NW-MRAM会解决这些缺点。
信息的写入过程通过穿过相关铁磁性层的自旋极化电流获得。电子自旋形成的这一电流作为磁化的扭矩；并且如果到达一定的电流密度，磁化方向可以旋转180度。尽管电流密度需要较高以获得磁化方向的反转，但是由于纳米线的直径较小，因此总电流也较小。在现有薄膜工艺中，很难获得这样小的亚微米级区域。相比之下，该纳米线的直径在几十纳米数量级。此外，电流诱导磁化过程仅产生很小的漏磁场，因此产生优异的可伸缩性以及每平方英寸超过1千兆比特的较大存储密度。
值得注意的是存储器是非易失性存储器。由于将信息按铁磁性层的磁化方向存储，切掉电源时信息仍然保留。这有利于手机和个人计算机，用于加速电脑启动以及更换硬盘。已经示出了单个小铁磁畴图案可以以超过1千兆赫的速度切换。这将导致NW-MRAM很高的写入速度。同样，建议的存取场效应晶体管可以在类似的高频率下工作。
值得注意的是MRAM相对地几乎没有功率损耗，因为不需要刷新循环来保持信息。NW-MRAM甚至消耗更少的功率，因为它用自旋极化电流写入信息，而自旋极化电流比使用电流产生的磁场需要更少的功率。
只要纳米线的直径有几十个纳米就能产生高存储密度。同样，如果存取场效应存储器包括在纳米线结构中，则它不需要附加的空间。存储密度仅受限于字线和位线的分辨率。和任何磁性存储器一样，由于信息按磁化方向存储且不依赖于电荷的积累，因此它对辐射和宇宙粒子不敏感。
图1示出的实施例
图1示意性地示出的本发明第一实施例包括纳米线结构。在上述的任意衬底上(未示出)提供了非铁磁性底部电极170，其上生长了长度在几百纳米级的半导体纳米线(SC-NW)，例如外延生长。这种纳米线的生长可通过使用已知的技术来执行，；例如VLS(气液固)生长工艺。也可以应用其他生长技术。外延技术有利于保证垂直生长，减少界面散射和自旋翻转。高界面质量能造成半导体中高自旋极化电流。如图1所述，纳米线包括由稀磁半导体(DMS)构成的两个磁性区域20和10。这可以通过浓度在几个原子百分比数量级(例如(Ga1-xMnx)N)的磁性杂质(例如Mn)在半导体(例如GaN)的这些部分进行掺杂来实现[参见AppliedPhysics Letters 86，032506(2005)]。这就意味着无需生长异质结，从而简化了工艺。
柱状结构的未稀释SC-NW区域包括在底部处的区域160和在柱状结构的两个磁性层之间的分隔层30。这些区域和DMS区域需要n型掺杂而非p型掺杂，因为电子自旋比空穴自旋具有更高数量级的无相位差时间。已经示出了电子可在100微米长度无相位差的情况下进行自旋。在SC-NW的顶部沉积了具有固定磁矩的铁磁性电极100。通过典型的厚度在100nm且具有有较大的范围在500-1000奥斯特(Oe)的矫顽场Hc的厚铁磁层或(人工)反铁磁体来固定磁化方向均可以固定磁矩。在SC-NW和两个金属电极之间的电接触应该在欧姆级，以避免DMS层的附加自旋相关阻抗。这一效应与自旋注入的基础具有相同的起因。DMS区域有两个不同的厚度，因此较厚的区域不改变其磁化方向。较厚DMS区域10的磁化方向应该方向固定且大小不变。可以通过使它的厚度比区域20大实现。因此，在这种情况下，区域10的厚度必须足够厚以使磁化方向在器件的使用寿命中不发生变化。图7和图8示出了替代固定：用反铁磁体(见图7)或人工反铁磁体(见图8)固定磁化方向。
两个DMS区域间的距离必须大于层间交换耦合或其他磁性耦合，诸如剥离耦合。这就意味着较薄DMS磁盘的磁化方向可以更自由地旋转。在区域20中用双箭头标示。尽管标示处于垂直方向，原则上其他方向也可能存在。非磁性半导体分隔层30的厚度应该比电荷载流子、尤其是电子的自旋翻转长度小但是比区域20和区域10之间的磁性耦合大，以保证区域20的磁化方向能够不受区域10磁化方向的影响而自由改变。
较薄DMS区域20作为存储单元来按磁化方向存储信息。具有自由变化的磁化方向的较薄DMS区域必须足够的厚以保证在操作温度下能够保持磁化方向的时间足够长，例如室温下10年。这一效应称为超顺磁性。
磁性器件的选择装置可以是开关，例如用于选择柱状结构。优选地，选择装置和柱状纳米结构整体形成。本实施例中用晶体管例如场效应晶体管150作开关，尽管原则上其他类型也可以使用。用在自由磁性层上方且在顶部电极下方的半导体纳米线形成晶体管的沟道50或栅极区。柱状结构被绝缘材料的栅极电介质60包围。栅极电极70包围在柱状结构沟道周围，并由栅极电介质分离。集成存取晶体管的栅极电极70可制造成环绕式栅极以增加与区域50的耦合。
栅极电介质和有源器件保护层60可以是SiO2、Si3N4或任何其他电介质材料。为了起保护作用，可以在栅极电极和有源器件上使用不同的材料。对于有源器件，它可以是具有较宽能带间隙的芯-壳结构。
柱状结构的直径在40-50nm，长度为几百纳米。
图2到图5示意性地示出了读取和写入过程。写入信息意味着较薄DMS区域的磁化方向根据二进制逻辑值确定，即逻辑高值或逻辑低值。图2和图3分别显示了根据沿柱状结构写入电流的方向写入“1”和“0”。磁化方向可以用带有高电流密度的自旋极化电流反转。当区域20和区域10的磁化方向平行(见图2)时，电流比图3所述的反平行时的电流大。这一众所周知现象的原因是区域20中的自旋相关散射。
电源80用于提供写入电流。传统的薄膜技术中很难达到这么高的电流密度，但是对于SC-NW而言高电流密度是固有的，因为柱状结构的直径很小，仅有几十个纳米的量级。薄圆铁磁性磁盘形成了可以在200皮秒内切换的单个铁磁畴，从而使得写入速度超过1千兆赫。此外，由于磁化图案处于涡旋状态导致它们仅有很小的漏磁场，因而NW-MRAM具有良好的可量测性。
图4和图5分别示出了存储信息的读取，并且通过在用于写入“1”的方向上施加较小电压(比用于写入的电压小，通常只有几mV)并且测量流过的电流来实现。在图4中，用连接顶部电极和底部电极的电流检测器180检测到的电流高于第一阈值(用虚线表示)，代表“1”被读取。在图5中，电流小于第二阈值，代表“0”被读取。第一阈值和第二阈值可以相同，也可以不同。如果两个DMS区域具有平行对齐的磁化方向，电流比反平行排列的情况下的大。在后一种情况中，相对于较厚DMS层磁化方向具有确定自旋方向的电子从较厚DMS区域经由非磁性SC-NW传播至较薄DMS区域而不损失其自旋信息，例如通过自旋翻转过程。但是电子将遇到较薄DMS区域中的不同状态，也就是由于两个DMS区域磁化方向的反平行对齐造成的另一种自旋状态。因此，大多数电子在界面处反射，导致较高的阻抗和较小的电流。
为了处理存储单元，本方法中可以很容易的增加存取场效应晶体管，而无需附加空间。这就意味着存取晶体管不限制可量测性。在SC-NW和金属栅极电极之间沉积栅极电介质，利用施加负的栅极电压将SC-NW中的电子耗尽。这样，穿过SC-NW的电流将减少几个数量级。此外，围绕的栅极场效应晶体管适用于几个千兆赫的高切换频率，可用于操作NW-MRAM器件。
图6示出了纳米线内DMS层的替代叠层。两个DMS区域具有固定的磁化方向10和300。DMS区域20具有可变磁化方向，用于存储信息。
写入过程并没有改变(不对称性是由电流方向引入的)。然而，由于叠层的对称性，读取过程不得不发生改变。
在区域310上形成额外的电极连接以对区域20的磁化方向敏感。
图7示出了替代实施例，其中区域10的磁化方向被其下的反铁磁体400固定。由于区域10和400之间的磁性耦合以及来自外加磁场的反铁磁体的不敏感，区域10的矫顽场与区域20相比非常高。
图8示出了图7的替代实施例，其中区域10的磁化方向由人工反铁磁体500固定。区域10和区域500是DMS区域。在层10和层500之间放置了非磁性分隔层510。
由于层间交换耦合，区域10和区域500的磁化方向可以彼此反平行对齐。两个铁磁性层的耦合随着铁磁性和反铁磁性耦合间分隔层厚度的增加而振荡。而且，耦合强度随分隔层厚度的增加而下降。如果两个DMS区域10和500的磁化方向反平行对齐，则它们比层20具有更大的矫顽场。
图9示出了在NW-MRAM阵列中和单个存储单元接触的可能方式，其他排列可以设想。在本图中，图示了两行三个器件，在诸如可寻址阵列中也可以更多。阵列可以按照行和列排列，也可以按其他拓扑结构。为清楚起见，仅描述笛卡尔阵列。每个水平排列的行都有第二选择线，以位线的形式由本行每个器件(200A，200B，200C)形成或与每个器件相连。这与图1中的Usource-drain对应。每个栅极电极都以字线(用垂直线表示)的形式与不同幅度第一选择线相连(或组合以形成不同的第一选择线)，字线对应图1的Ugate。因此器件200A和210A与第一字线上相连，200B和210B第二字线相连，200C和210C与第三字线相连。本示例中的底部电极全部与公共地相连。
用于存储单元寻址或信号放大等的集成电路可置于有源器件的上方或下方，也就是在纳米线上方或下方。因此，不需要为额外电路提供额外空间。同样，由于纳米线不需要高质量衬底来生长，因此可以在不同纳米线层的顶部封装。此外，衬底可以是硅，但是原则上可以是任何其他材料，比如甚至是无定形材料。这样使得磁性器件的设计具有更大的灵活性。
图10到图15示出了根据实施例制造器件的方法中部分原理步骤的界面图。在图10中，底部电极170在衬底220上形成。在图11中，许多以上述纳米线形式存在的柱状结构在普通底部电极上外延、垂直生长。在图12中，柱状结构的侧壁被栅极电介质材料60覆盖，在柱状结构之间形成填料230。
在图13中，在每个柱状结构周围形成栅极电极70。在图14中，在栅极电极的顶部形成绝缘层，在绝缘层上形成开口250以保证与栅极电极接触。柱状结构的顶部暴露。在图15中，以字线形式存在的第一选择线形成导体，以便填充开口250以及连接栅极电极。铁磁性材料的顶部电极100在柱状结构顶部形成以便形成位线。同样，完成底部电极与地面的连接。
本发明包括在其范围内的许多改进和替代。可以按照已知原理在纳米线中引入反铁磁性稳定磁性区。如果找不到反铁磁性DMS，也可以是另一个不同材料层。底部电极可以是铁磁性电极，取代顶部电极。在这种情况下，两个DMS层需要交换。不考虑其他层，晶体管可以置于这种结构的底部，而不是顶部。在部分部件或全部部件中纳米线可以是中空的以形成纳米管，这样可以降低来自电流的漏磁场，尤其是来自磁性区域。需要使用一个DMS区域，而不是图示的两个。在这种情况下，底部电极也需要是铁磁性的，且带有相对于顶部电极反平行排列的磁矩。与电极接触的两个触点中，其中一个需要是欧姆级，另一个是肖特基势(位)垒，为读取过程形成不对称性。除VLS外的其他生长方法也可以使用。
该NW-MRAM实施例的应用可覆盖计算机基本存储器、手机存储器和PDA的巨大市场。由于高存储密度，NW-MRAM有能力替代甚至是计算机的硬盘，导致计算速度的巨大提升。如果未来自旋电子学或磁电子学能够广泛应用，该NW-MRAM本身就是纯自旋电子器件，因此它适用于自旋电子器件，也就是所有信息处理仅在电子自旋的基础上，而且电荷仅用于控制信息流。极大的兴趣在于作为手机中具有高存储密度、非易失性、低功率损耗存储器的应用。本领域的普通技术人员应该知道在权利要求书中的其他变化和应用。

Claims (23)

1.一种磁性器件，包括：
形成柱状结构的至少一个纳米管，包括：
具有固定磁化方向的第一磁性层（10）；
具有可变磁化方向的自由磁性层（20）；以及
将第一磁性层与自由磁性层相分离的分隔层（30）；以及
用于选择磁性器件的选择装置，至少一部分选择装置是所述柱状结构的一部分。
2.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述磁性层的至少两个包括所述至少一个纳米管之一的稀磁半导体材料，所述纳米管具有分别形成所述至少两个磁性层的掺杂剂。
3.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述选择装置包括开关。
4.根据权利要求3所述的磁性器件，其中所述开关是晶体管。
5.根据权利要求4所述的磁性器件，其中所述选择装置的至少一部分包括晶体管的沟道（50）。
6.根据权利要求5所述的磁性器件，其中所述磁性器件具有栅极电极（70），所述栅极电极（70）位于沟道周围并且由栅极电介质与沟道分离。
7.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述选择装置的至少一部分位于所述柱状结构的一端。
8.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述磁性器件具有围绕柱状结构的栅极电介质层（60）。
9.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述自由磁性层（20）比第一磁性层（10）薄。
10.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述分隔层的厚度使得自由层在第一磁性层多数载流子的自旋翻转长度内。
11.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述柱状结构包括n型掺杂剂原子。
12.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述磁性器件包括具有固定磁化方向的第二磁性层，所述固定磁化方向不同于第一磁性层的磁化方向。
13.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述磁性器件作为存储器并且具有电路（80），所述电路配置用于使沿柱状结构的电流与足够的自旋极化电流密度耦合，以改变自由磁性层的磁化方向。
14.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述磁性器件作为存储器并且具有电路（80），所述电路配置用于使柱状结构上的电流在正向或反向耦合，以根据电流方向将数值写入存储器。
15.根据权利要求1所述的磁性器件，其中至少一部分所述柱状结构呈管状。
16.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述选择装置的各个层和沟道区是形成半导体纳米线的纳米管的一部分，所述半导体纳米线沿所述柱状结构的长度延伸并且具有掺杂区，所述掺杂区分别形成所述沟道区和所述磁性层。
17.根据权利要求1所述的磁性器件，其中具有第一磁化层、自由磁化层和分隔层的每一个的所述柱状结构中的结是所述至少一个纳米管的同质区域。
18.根据权利要求1所述的磁性器件，其中具有第一磁化层、自由磁化层和分隔层的每一个的所述柱状结构中的结不具有异质区域。
19.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述第一磁化层、自由磁化层、分隔层和选择装置的至少两个包括彼此相邻的区域，并且包括形成两个所述相邻区域的一部分的纳米管。
20.根据权利要求1所述的磁性器件，其中所述选择装置包括：
所述自由磁化层和电极之间的至少一个纳米管中的沟道区；
所述沟道区上的电介质材料；以及
栅极，通过所述电介质材料与所述沟道区相分离，并且配置用于向沟道区施加偏置以在导通状态之间切换所述沟道区，用于将自由磁化层与所述电极相连。
21.一种集成存储器阵列，具有衬底以及根据权利要求1所述磁性器件的阵列，每一个磁性器件中的所述柱状结构配置为与所述衬底垂直。
22.根据权利要求21所述的阵列，所述阵列具有连接所述阵列同一行中器件的开关的第一选择线和连接不同行磁性器件的柱状结构顶部或底部的第二选择线（100）。
23.一种磁性存储器件，包括：
连接在上电极和下电极之间的半导体纳米线的柱，所述柱包括：
在所述下电极上的具有固定磁化方向的固定磁性层；
自由磁性层，在所述固定磁性层上并且具有具有可变磁化方向，所述可变磁化方向可在所述固定磁化方向和与所述固定磁化方向相反的相反磁化方向之间变化，所述各个磁化方向与逻辑状态相对应；以及
将固定磁性层与自由磁性层相分离的分隔层；
沟道区，所述沟道区将所述自由磁化层与所述上部电极相连；
开关，所述开关具有通过电介质材料与所述沟道区相分离的栅极，并且配置为将所述自由磁化层与所述上电极相连，用于通过在导通状态之间切换所述沟道区来进行读取和写入操作；
写入电路，配置为通过沿所述固定磁化方向在所述电极两端施加写入电流来将所述自由磁化层的磁化方向设置为所述固定磁化方向，并且通过沿与所述固定磁化方向相反的方向在所述电极两端施加写入电流来将所述自由磁化层的磁化方向设置为所述相反的磁化方向；以及
读取电路，配置为在所述电极两端施加低读取电流，所述柱通过在所述自由磁化层具有固定磁化方向时通过高电流电平以及当所述自由磁化层具有相反磁化方向时通过低电流电平来响应于所述低读取电压。
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