CN101834271A - 磁电随机存储单元及具有该磁电随机存储单元的存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁电随机存储单元，包括：铁电氧化物层；形成在所述铁电氧化物层之上的铁磁自由层；形成在所述铁磁自由层之上的隧道阻挡层；形成在所述隧道阻挡层之上的铁磁固定层；和形成在所述铁电氧化物层两侧的第一电极和第二电极，其中，在所述第一和第二电极可对所述铁电氧化物层施加的电场作用下，通过磁电耦合作用控制所述铁磁自由层中的磁化方向。本发明还提供一种具有所述磁电随机存储单元的存储器。本发明实施例能够实现用电场写入信息数据，具有诸如非易失性、写入功耗低，存储密度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造及设计技术领域，尤其是涉及一种磁电随机存储单元以及具有该磁电随机存储单元的随机存储器。
背景技术
磁性随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性存储器，它利用磁阻效应实现数据存储。磁阻效应是在磁场作用下材料的电阻发生改变的效应。由铁磁层、隧道阻挡层、铁磁层所构成的三层结构是一种典型的具有磁阻效应的结构。当位于隧道阻挡层上下方的铁磁层磁化方向一致的时候，该结构的电阻最小。而在磁场作用下，铁磁层中的磁化方向会趋向外加磁场方向而取向，当上下方的铁磁层磁化方向产生大于0度的夹角时，该结构的电阻就发生了改变，当两层磁化方向为反平行方向(夹角为180度)时，电阻最大。为了使两层铁磁层在磁场作用下产生更大的夹角，通常在其中一个铁磁层上制备一个反铁磁层，利用界面处的钉扎作用，使该铁磁层的磁化方向在外磁场作用下难于偏转。目前这个技术目前被广泛地应用于硬盘的读取磁头以及磁性随机存储器(MRAM)上。
通常一个典型的随机存储单元至少由四部分构成，它包含一层由反铁磁材料构成的钉扎层、一层由铁磁材料构成的被钉扎层、一层由绝缘材料构成的隧道阻挡层和一层由铁磁材料构成的自由层。由于反铁磁层的钉扎作用，被钉扎层的磁化方向不会被位线和数据线产生的磁场反转；而自由层的磁化方向能够被位线和数据线产生的磁场转动。实际上，位线和数据线产生的磁场对自由层磁化方向的反转就是MRAM的数据写入操作。
现有技术的缺点是：由于自由层存在磁缺陷，在实际操作过程中，需要很强的磁场才能使自由层的磁化方向反转，因此这意味着需要增加位线和信号线上的电流来增强磁场，从而会造成写入数据的功耗增加，而且容易对邻近存储单元的存储状态产生影响。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中的上述技术问题之一，特别是解决现有磁性随机存储器利用电流产生磁场进行写入操作而导致的过度功耗和对邻近单元产生影响的问题。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种磁电随机存储单元，包括：铁电氧化物层；形成在所述铁电氧化物层之上的铁磁自由层；形成在所述铁磁自由层之上的隧道阻挡层；形成在所述隧道阻挡层之上的铁磁固定层；和形成在所述铁电氧化物层两侧的第一电极和第二电极，其中，在所述第一和第二电极可对所述铁电氧化物层施加的电场作用下，通过磁电耦合作用控制所述铁磁自由层中的磁化方向。
在本发明的一个实施例中，还包括：形成在所述铁磁固定层之上的反铁磁钉扎层。
在本发明的一个实施例中，所述磁电随机存储单元的至少一个电极与访问晶体管相连接。
在本发明的一个实施例中，其中，所述铁电氧化物层包括：钛酸钡、锆钛酸铅、铁酸铋、钪酸铋-钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅或者铌锌酸铅-钛酸铅。
在本发明的一个实施例中，其中，所述铁磁固定层和/或铁磁自由层包括Fe、Ni、Co、NiFe、CoFe、NiFeCo或含有Fe、CO、Ni的合金材料。
在本发明的一个实施例中，其中，所述隧道阻挡层包括氧化铝或氧化镁。
在本发明的一个实施例中，其中，所述反铁磁钉扎层由锰合金材料形成。具体地，所述锰合金材料包括铁锰合金、镍锰合金或铂锰合金。
本发明另一方面还提出了一种包括上述磁电随机存储单元的存储器，至少包括：多个磁电随机存储单元；多个分别与所述磁电随机存储单元中的第一电极相连的访问晶体管；多个控制所述访问晶体管的字线；多个分别与所述磁电随机存储单元中的第二电极相连的第一板线；多个分别与访问晶体管相连的第一位线；多个分别与所述磁电随机存储单元中的铁磁固定层相连的第二位线；和多个分别与所述磁电随机存储单元中的铁磁自由层相连的第二板线。
在本发明的一个实施例中，当进行写操作时，所述字线控制相应访问晶体管开启，并在相应的第一位线和第一板线之间施加电压以在所述第一电极和第二电极之间形成电场，并通过磁电耦合控制所述铁磁自由层的磁化方向。
在本发明的一个实施例中，当进行读操作时，通过所述第二板线和第二位线读取所述磁电随机存储单元的存储信息。
在本发明的一个实施例中，还包括：与所述多个字线相连的选择控制电路，用于选定所述存储器中的磁电随机存储单元。
与现有技术中相比，本发明实施例采用多铁性磁电复合薄膜结构作为磁电随机存储元器件的主要部分，利用铁电氧化层与铁磁自由层之间的磁电耦合效应，通过电场对铁磁自由层中磁化方向进行调制，实现了用电场写入信息数据，与磁性随机存储器相比，降低了写入功耗，同时由于没有写入电流磁场的空间作用对邻近存储单元的干扰，可以缩小存储单元之间的距离，提高存储密度。本发明实施例提出的磁电随机存储器具有非易失性、写入功耗抵、存储单元相互之间干扰小的特点，并且还可以提高存储密度。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的磁电随机存储单元的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的含有反铁磁钉扎层的磁电随机存储单元的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的磁电随机存储器的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的磁电随机存储器的结构剖面示意图，其中图4a示出主视状态下的剖面结构，图4b示出左视状态下的剖面结构；
图5为显示作用在铁电氧化物层上的电场改变铁电氧化物层中磁场方向的磁电耦合示意图，其中图5a显示写入数据为“1”时的状态，图5b显示写入数据为“0”时的状态；
图6为显示实施例1中磁电随机存储单元随电压作用下电阻阻值的变化曲线图；
图7为显示实施例2中磁电随机存储单元随电压作用下电阻阻值的变化曲线图；
图8为显示实施例3中磁电随机存储单元随电压作用下电阻阻值的变化曲线图。
附图标记说明：
1-磁电随机存储单元 2-第一电极
3-第二电极 4-铁电氧化物层
5-铁磁自由层 6-隧道阻挡层
7-铁磁固定层 8-夹层结构
9-反铁磁钉扎层 10-晶体管
11-源极 12-漏极
13-栅极 14-字线
15-第一板线 16-第二板线
17-第一位线 18-第二位线
19-互联线
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面将参照附图详细描述根据本发明实施例的结构和方法。
本发明主要在于通过磁电效应原理控制复合薄膜结构单元的电阻变化，从而克服现有磁性随机存储器利用电流产生磁场进行写入操作而引起的过度功耗和对邻近单元产生影响的问题。为了能够更清楚的理解本发明，以下对磁电效应进行简单介绍。磁电效应指的是在施加外电场作用下引起材料磁矩发生变化的多场耦合效应。多铁性磁电复合材料指的是一类将具有铁电性的材料和铁磁性的材料按照一定的复合结构组合在一起的新材料，这类新材料具有磁电效应。对于多铁性磁电复合薄膜而言，可以采用诸如脉冲激光沉积、磁控溅射等多种物理制备方法以及溶胶-凝胶法等化学制备方法进行制备，在合适的工艺条件下可以使其具有磁电效应。2008年，美国加州大学伯克利分校的Y.H.Chu等人在钛酸锶(STO)基片上用脉冲激光沉积的方法制备了钌酸锶(SRO)电极层和铁酸铋(BFO)单相多铁氧化物层，并用真空溅射的方法在铁酸铋层上方制备了CoFe合金薄膜，同时在制备过程中利用磁场诱导磁化取向。他们通过强磁体圆二色性光电子显微镜(XMCD-PEEM)技术发现在不同的电极化场作用下，CoFe合金薄膜中的磁化方向发生了偏转。2009年，清华大学J.M.Hu等人利用热力学计算的方式证实了在下层为铁电氧化物、上层为铁磁合金薄膜的磁电双层复合薄膜中，通过对铁电氧化物施加电场，也可以致使铁磁合金层的磁化方向在薄膜平面内发生偏转，这一现象为典型的磁电耦合效应所致。
如图1所示，为根据本发明一个实施例的磁电随机存储单元1的结构示意。该磁电随机存储单元1采用多层复合薄膜的结构型式，在本实施例中，所述多层复合薄膜结构包括铁电氧化物层4、铁磁自由层5、隧道阻挡层6和铁磁固定层7。其中，所述铁电氧化物层4形成在铁磁自由层5的下表面，所述铁磁自由层5形成在隧道阻挡层6的下表面，所述隧道阻挡层6形成在铁磁固定层7的下表面。
所述铁磁自由层5、隧道阻挡层6、铁磁固定层7共同构成夹层结构8，夹层结构8具有隧道磁阻效应，在铁磁自由层5中的磁化方向与铁磁固定层7中的磁化方向二者之间具有不同的夹角时，夹层结构8所对应的电阻也各不相同。
另外，还包括：分别位于铁电氧化物层4的左右两端的第一电极2和第二电极3。第一电极2和第二电极3可在外界作用下对铁电氧化物层4施加平行于薄膜表面方向的写入电场。
由于铁电氧化物层4可以在电场作用下通过磁电耦合作用控制铁磁自由层5中磁化方向的偏转，故此，在所述写入电场的作用下，通过磁电耦合作用可使铁磁自由层5中的磁化方向形成与所述写入电场的信息对应的不同偏转。由于隧道磁阻效应的存在，夹层结构8的电阻也就形成与所述电场信息对应的变化进而实现信息的存储。
本发明采用多铁性磁电复合薄膜作为磁电随机存储单元1的主要部分，利用铁电氧化层4与铁磁自由层5之间的磁电耦合效应，通过电场对铁磁自由层5中的磁化方向进行调制，实现了用电场写入信息数据，与现有技术中的磁性随机存储元器件相比，降低了写入功耗，同时由于没有写入电流磁场的空间作用对邻近存储单元的干扰，可以缩小存储单元之间的距离，提高存储密度。
作为本发明的优选实施例，如图2所示，在磁电随机存储单元1中，可在铁磁固定层7的上方形成一层用于固定铁磁固定层7中的磁化方向的反铁磁钉扎层9。由于反铁磁钉扎层9的钉扎作用，可以确保被钉扎的铁磁固定层7中的磁化方向不会被周围的位线和数据线等产生的磁场所反转。
根据本发明的一个实施例，所述铁电氧化物层4优选但不仅限于采用钛酸钡、锆钛酸铅、铁酸铋、钪酸铋-钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅、铌锌酸铅-钛酸铅等材料中的一种材料来形成。
根据本发明的另一个实施例，所述铁磁固定层7和/或铁磁自由层5优选但不仅限于采用金属铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、镍铁合金(NiFe)、钴铁合金(CoFe)、镍铁钴合金(NiFeCo)或其他含有Fe、Co、Ni的合金材料中的一种材料来形成。
根据本发明的另一个实施例，所述隧道阻挡层6优选但不仅限于采用氧化铝(Al2O3)或氧化镁(MgO)材料来形成。
根据本发明的再一个实施例，所述反铁磁钉扎层9优选但不仅限于采用铁锰合金(FeMn)、镍锰合金(NiMn)、铂锰合金(PtMn)或其他含有Mn的合金材料来形成。
此外，所述第一电极2、第二电极3可使用本技术领域内公知的金属或金属氧化物电极材料来形成。
根据本发明的一个实施例，本发明还提供一种包括上述磁电随机存储单元1的磁电随机存储器。如图3所示，该磁电随机存储器包括磁电随机存储单元1，以及多根字线14、多根与所述字线14平行的第一板线15、多根与所述字线14平行的第二板线16、多根与所述字线14、第一板线15和第二板线16垂直的第一位线17和第二位线18、多个访问晶体管10以及多根互联线19。
更具体地，可参见图3和图4(图4a、图4b)所示，字线14与晶体管10的栅极13相连，用于控制晶体管10的源极11和漏极12之间的通断；第一位线17与晶体管10的源极11相连；互联线19的一端与晶体管10的漏极12相连，另一端与磁电随机存储单元1的第一电极2相连；第一板线15与磁电随机存储单元1的第二电极3相连；在字线14上通有高电平信号时，第一位线17与第一板线15之间的电压信号可以直接作用在磁电随机存储单元1的铁电氧化物层4上；其中，字线14上通有的高电平信号指的是超过可以使访问晶体管10的源极11与漏极12之间相互导通所需阈值电压的信号。磁电随机存储器的第二板线16与磁电随机存储单元1的铁磁自由层5相连，该磁电随机存储的第二位线18与磁电随机存储单元1的铁磁固定层7相连，第二位线18与第二板线16之间所包含的磁电随机存储单元1的铁磁自由层5、隧道阻挡层6、铁磁固定层7所构成的夹层结构8具有隧道磁阻效应，可以通过第二位线18与第二板线16探测该夹层结构8的电阻变化。
写入该磁电随机存储单元1的电压信号通过第一位线17和第一板线15进行施加；读取存储器电阻变化信号的电路连接到第二位线18和第二板线16上；对磁电随机存储器中不同磁电随机存储单元1进行选择的电路连接到字线14上。
本发明实施例所提及的磁电随机存储器可以通过本领域所公知的与半导体工业相适应的工艺及方法进行沉积制备，例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、光刻等薄膜制备、刻蚀及布线等。当然，该磁电随机存储器件也可以通过其他的物理或者化学的薄膜制备方法进行沉积制备。
存储单元的写入操作时，首先在所述字线14上施加高电平电压，使访问晶体管10的源极11和漏极12之间相互导通。按照写入数据不同，在第一位线17和第一板线15上施加写入电压，写入电压应当大于磁电随机存储单元1中铁电氧化物层4的临界开关电压Ucr，该电压数据与铁电氧化物层4、铁磁自由层5所选择的不同材料及尺寸有关，可以通过制备好的存储单元结构实际测量获得。例如，如果写入数据为“1”，则在第一位线17上施加写入电压，在第一板线15上维持0V电压。铁电氧化物层4在该写入电压作用下与铁磁自由层5之间发生磁电耦合，使得铁磁自由层5的磁化方向发生偏转，如图5所示。如果写入数据为“0”，则在第一板线15上施加写入电压，在第一位线17上维持0V电压。铁磁自由层5的磁化方向回复原有与铁磁固定层7磁化方向相平行的状态。
存储单元的读取操作则是直接在第二位线18和第二板线16之间测量电阻，电阻阻值高的状态为状态“1”，反之则为“0”。
在本发明的一个实施例中，还包括与字线相连的选择控制电路，用于选定存储器中的磁电随机存储单元。
下面通过实施例的方式对本发明的磁电随机存储单元结构做进一步的说明。
第一实施例：
制备铁电氧化物层4为250nm厚度的铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)，并沉积5nm厚的具有(001)取向的Fe0.7Co0.3合金的铁磁自由层5，1.5nm厚的氧化镁(MgO)隧道阻挡层6，和25nm厚的CoFeB合金的铁磁固定层7，利用刻蚀技术获得的铁磁自由层5、隧道阻挡层6、铁磁固定层7的多层复合薄膜结构的长度为1μm，宽度为0.5μm。在铁电氧化物层4中施加平行于薄膜长度方向的电压，图6为该体系中夹层结构8的电阻值随铁电氧化物层4所受电压的变化规律，在该体系中正向的临界开关电压Ucr为0.72V，负向的临界开关电压Ucr为0.51V。
如上图所示，当首先对实施例样品进行正向施加电压，且当超过临界开关电压0.72V后，样品电阻发生了从低阻态的1.6欧姆向高阻态的2.56欧姆的突变；继续沿该方向增大电压，电阻状态不变。当电压减小到零后样品仍然保持在高阻态状态，当沿相反方向施加电压，超过临界开关电压0.51V后，电阻状态由原来的高阻态的2.56欧姆突变为低阻态的1.6欧姆，继续增加电压则保持该低电阻状态；当电压减小到零后，样品仍然保持在低阻态状态，由于无论在正向还是反向电压作用下，撤销电压后实施例样品的电阻状态都可以得到保持，这表明了该随机存储单元1具有存储的非易失性。
第二实施例：
制备铁电氧化物层4为250nm厚度的钛酸钡(BTO)，沉积5nm厚的具有(001)取向的Fe0.7Co0.3合金的铁磁自由层5，1.5nm厚的氧化镁(MgO)隧道阻挡层6，和25nm厚的CoFeB合金的铁磁固定层7，利用刻蚀技术获得的铁磁自由层5、隧道阻挡层6、铁磁固定层7多层复合薄膜结构的长度为1μm，宽度为0.5μm。在铁电氧化物层4中施加平行于薄膜长度方向的电压，图7为该体系中复合结构电阻随铁电氧化物层所受电压的变化规律，在该体系中正向的临界开关电压Ucr为9.7V，负向的临界开关电压Ucr为6.8V。如图所示，由于与实施例1相同的原理，表明了该随机存储单元1具有存储的非易失性。
第三实施例：
制备铁电氧化物层为250nm厚度的锆钛酸铅(PZT)，沉积5nm厚的具有(001)取向的Fe0.7Co0.3合金的铁磁自由层，1.5nm厚的氧化镁(MgO)隧道阻挡层，和25nm厚的CoFeB合金的铁磁固定层，利用刻蚀技术获得的铁磁自由层、隧道阻挡层、铁磁固定层复合结构的长度为1μm，宽度为0.5μm。在铁电氧化物层中施加平行于长度方向的电压，图8为该体系中复合结构电阻随铁电氧化物层所受电压的变化规律，在该体系中正向的临界开关电压Ucr为4.5V，负向的临界开关电压Ucr为3.2V。如图所示，由于与实施例1相同的原理，表明了该随机存储单元具有存储的非易失性。
本发明实施例采用多铁性磁电复合薄膜结构作为磁电随机存储元器件的主要部分，利用铁电氧化层与铁磁自由层之间的磁电耦合效应，通过电场对铁磁自由层中磁化方向进行调制，实现了用电场写入信息数据，与磁性随机存储器相比，降低了写入功耗，同时由于没有写入电流磁场的空间作用对邻近存储单元的干扰，可以缩小存储单元之间的距离，提高存储密度。本发明实施例提出的磁电随机存储器具有非易失性、写入功耗抵、存储单元相互之间干扰小的特点，并且还可以提高存储密度。
尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面做出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
1.一种磁电随机存储单元，其特征在于，包括：
铁电氧化物层；
形成在所述铁电氧化物层之上的铁磁自由层；
形成在所述铁磁自由层之上的隧道阻挡层；
形成在所述隧道阻挡层之上的铁磁固定层；和
形成在所述铁电氧化物层两侧的第一电极和第二电极，其中，在所述第一和第二电极可对所述铁电氧化物层施加的电场作用下，通过磁电耦合作用控制所述铁磁自由层中的磁化方向。
2.如权利要求1所述的磁电随机存储单元，其特征在于，还包括：
形成在所述铁磁固定层之上的反铁磁钉扎层。
3.如权利要求1或2所述的磁电随机存储单元，其特征在于，所述磁电随机存储单元的至少一个电极与访问晶体管相连接。
4.如权利要求1或2所述的磁电随机存储单元，其特征在于，其中，所述铁电氧化物层包括：钛酸钡、锆钛酸铅、铁酸铋、钪酸铋-钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅或者铌锌酸铅-钛酸铅。
5.如权利要求1或2所述的磁电随机存储单元，其特征在于，其中，所述铁磁固定层和/或铁磁自由层包括Fe、Ni、Co、NiFe、CoFe、NiFeCo或含有Fe、CO、Ni的合金材料。
6.如权利要求1或2所述的磁电随机存储单元，其特征在于，其中，所述隧道阻挡层包括氧化铝或氧化镁。
7.如权利要求2所述的磁电随机存储单元，其特征在于，其中，所述反铁磁钉扎层由锰合金材料形成。
8.如权利要求7所述的磁电随机存储单元，其特征在于，其中，所述锰合金材料包括铁锰合金、镍锰合金或铂锰合金。
9.一种具有权利要求1-8任一项所述磁电随机存储单元的存储器，其特征在于，至少包括：
多个磁电随机存储单元；
多个分别与所述磁电随机存储单元中的第一电极相连的访问晶体管；
多个控制所述访问晶体管的字线；
多个分别与所述磁电随机存储单元中的第二电极相连的第一板线；
多个分别与访问晶体管相连的第一位线；
多个分别与所述磁电随机存储单元中的铁磁固定层相连的第二位线；和
多个分别与所述磁电随机存储单元中的铁磁自由层相连的第二板线。
10.如权利要求9所述的存储器，其特征在于，当进行写操作时，所述字线控制相应访问晶体管开启，并在相应的第一位线和第一板线之间施加电压以在所述第一电极和第二电极之间形成电场，并通过磁电耦合控制所述铁磁自由层的磁化方向。
11.如权利要求9所述的存储器，其特征在于，当进行读操作时，通过所述第二板线和第二位线读取所述磁电随机存储单元的存储信息。
12.如权利要求9-11任一项所述的存储器，其特征在于，还包括：
与所述多个字线相连的选择控制电路，用于选定所述存储器中的磁电随机存储单元。
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