CN107369758B - 一种垂直型磁性随机存储器及其读写方法 - Google Patents

一种垂直型磁性随机存储器及其读写方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种使用拓扑绝缘体作为电子自旋滤波器的垂直型磁性随机存储器，包括参考层、记忆层、势垒层、由重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层构成的自旋滤波层，以及底电极；所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻；所述自旋滤波层包括间隔开的第一极性部和第二极性部，所述第一极性部和所述第二极性部分别与所述记忆层电连接并形成完整的写电路；所述底电极与所述参考层电连接。本发明还提供了上述磁性随机存储器的读写方法。

Description

一种垂直型磁性随机存储器及其读写方法
技术领域
本发明涉及半导体存储器领域，尤其涉及一种使用拓扑绝缘体作为电子自旋滤波器的垂直型磁性随机存储器及其读写方法。
背景技术
自旋电子学(Spintronics)也称磁电子学。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩，是一门新兴的学科和技术。应用于自旋电子学的材料，需要具有较高的电子磁极化率，以及较长的电子松弛时间。许多新材料，例如磁性半导体、半金属(又称为Heusler金属，参见：https://en.wikipedia.org/wiki/Heusler_alloy)、拓扑绝缘体(TI，Topological Insulator，参考：物理与工程，Vol.22，No.1，2012)等，近年来被广泛的研究，以求能有符合自旋电子元件应用所需要的性质。Heusler金属里100％的同向极化电子自旋已经逐渐得到了实际应用(参见www.nature.com/articles/ncomms4974)。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的材料，从理论上分析，这类材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面具有非常理想(近乎于超导体)的导电性，也就是说该材料的铁磁特性(或高磁化系数)能够导通电流，更重要的是，在电流通过程中它不会造成能量的损失。并且，其电子自旋极化方向具有100％的相关一致性，由电流方向来决定。如图1所示，其中拓扑绝缘体100周围的黑色线条外框示意了其表面导电通路，并且输出的自旋电流具有高极化取向。所以拓扑绝缘体是继Heusler金属之后的又一个理想的电子自旋滤波器。近期的研究显示，原型拓扑绝缘体硒化铋(Bi2Se3)的一种薄膜在室温下可被用作自旋电流的一个非常高效的导通路线，包括在相邻的一种铁磁性镍-铁合金薄膜上产生一个强的自旋转移矩(参见：斯坦福大学张首晟团队在这方面的文章)。最近，研究者们已经将拓扑绝缘体的这一特性用来产生自旋转移力矩(STT，Spin Transfer Torque，参考：Nature 511，449-451，2014；Nature Materials 13，699–704(2014)，Kang L.Wang等)，用于实现磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)元件的写操作，即自旋极化的电流通过磁电阻元件时，可以通过STT改变记忆层的磁化方向。
在STT-MRAM运行过程中，如何获得足够大的具有相同极化方向的自旋电流是最关键的一步。现有的STT-MRAM是利用电流流经极化后的磁薄膜产生的部份磁力矩来实现记忆层的磁极化转动来实现写操作的。这样的写操作，不仅耗电，并且会由于大量的非极化电流产生的热而降低记忆体的记忆能力，和加快记忆体的老化。
发明内容
有鉴于现有技术的不足，本发明提供了一种使用拓扑绝缘体作为电子自旋滤波器的垂直型磁性随机存储器，包括：
参考层，所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
记忆层，所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
势垒层，所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻，本文中的层与层的“相邻”是指层与层紧贴设置，其间未主动设置其它层；
还包括：
由重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层构成的自旋滤波层，所述自旋滤波层包括间隔开的第一极性部和第二极性部，所述第一极性部和所述第二极性部分别与所述记忆层电连接并形成完整的写电路；
底电极，所述底电极与所述参考层电连接。
进一步地，所述拓扑绝缘体层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的化合物，例如Sb2Se3、Sb2Te3、Bi2Se3、Bi2Te3、BiSbTeSe2等，或者采用的材料是在上述化合物中掺杂Cr或Mn。
进一步地，所述电介质层采用金属Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、In、Tl、Sn、Pb、Ga、Sb、Bi、Se、Te、Po的氧化物、氮化物或氮氧化物，或采用半导体材料Si、Ge的氧化物、氮化物或碳化物。
优选地，所述电介质层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的氧化物、氮化物或碳化物，例如BiSeO、SbTeN、BiTeC等。
进一步地，通过退火改善所述自旋滤波层的导电性能。
进一步地，所述第一极性部连接置位电极，所述第二极性部接地，从而通过在所述第一极性部、所述记忆层和所述第二极性部所形成的通路上加载不同方向的电流来改变所述记忆层的磁化方向。
进一步地，还包括覆盖层和顶电极，所述覆盖层分别与所述记忆层和所述顶电极层相邻。
进一步地，采用独立的读控制电路和写控制电路，从而可单独对读控制电路和写控制电路做设计及优化。
进一步地，所述读控制电路控制读电流通过所述记忆层、所述势垒层、所述参考层所组成的磁性隧道结，并通过所述底电极。
本发明还提供了上述磁性随机存储器的读写方法：
写操作：在所述第一极性部和所述第二极性部上加载写电压，从而通过流经所述第一极性部、所述记忆层和所述第二极性部的写电流来改变所述记忆层的磁化方向，所述记忆层的磁化方向由写电流的方向确定；
读操作：在所述参考层和所述底电极上加载读电压，产生读电流，所述读电流的大小不足以改变所述记忆层的磁化方向，并且所述读电压低于(优选远低于)所述势垒层的击穿电压，以避免被击穿破坏。
本发明的磁性随机存储器，采用了由拓扑绝缘体与电介质形成的多层膜结构，把三维的拓扑绝缘体变成许多近似于二维的拓扑绝缘体薄片，用电介质隔离开，从而提高拓扑绝缘体的总体表面积，以此为自旋电子器件提供足够的写电流。
进一步地，自旋滤波层以串联的形式连接记忆层两端，写电流只需通过自旋滤波层和记忆层，即可有效改变记忆层的磁化方向，而不会影响势垒层和参考层，既提高了精度又降低了功耗。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是拓扑绝缘体表面导电示意图，输出电流具有高极化取向；
图2是本发明的一种磁性随机存储器的结构示意图；
图3是图2中自旋滤波层的多层膜结构示意图；
图4是图3中自旋滤波层的一种制备过程中的结构示意图，已完成拓扑绝缘层的沉积以及光刻；
图5是图2的磁性随机存储器的写操作(低阻态)示意图；
图6是图2的磁性随机存储器的写操作(高阻态)示意图；
图7是图2的磁性随机存储器的读操作示意图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。
图2是本发明的一种磁性随机存储器的结构示意图，其中示出了依次层叠的底电极1、参考层2、势垒层3、记忆层4、覆盖层5和顶电极6。记忆层4的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面，参考层2的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面，图中以“↑”和“↓”分别示意磁化方向(基于附图所在页面视角)。图2同时示出了自旋滤波层7，自旋滤波层7包括相互间隔的第一极性部71和第二极性部72，第一极性部71和第二极性部72分别与记忆层4相接触，从而可形成由第一极性部71、记忆层4和第二极性部72所构成的电流通路。
图3示出了图2中自旋滤波层7的多层膜结构，其中包括重复交替设置的拓扑绝缘体层701和电介质层702，即[拓扑绝缘体/电介质层]n的多层超晶格结构。图3中的结构采用了5层拓扑绝缘体层701和4层电介质层702。图3示意性地指出了由电流I的方向所确定的电子自旋极化方向，由于拓扑绝缘体表面导电及其单一自旋电子极化的特性，当电流I从这样的[TI/OX]n的垂直型二维多层膜通过后，输出的电流具有固定的极化方向；流经自旋滤波层7的电流方向不同，所获得的电子自旋极化方向也不同，电子自旋极化方向是由拓扑绝缘体膜的取向和流经的电流的方向共同决定的，本实施例的磁性随机存储器正是利用了该特性，从而来将改变记忆层4的磁化方向。
本实施例的自旋滤波层7的多层膜的制备，如图4所示，可以先沉积拓扑绝缘层101，再形成光阻层102，刻蚀后形成沟槽，再沉积电介质并平坦化后，即形成了重复交替设置的拓扑绝缘体层701和电介质层702，如图3所示。完成后通过退火，形成更好的层状结构以获得高导通电流。
本实施例的自旋滤波层7的多层膜的制备，也可以先沉积电介质层，再形成光阻层，刻蚀后形成沟槽，再沉积拓扑绝缘体并平坦化后，即形成了重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层。完成后通过退火，形成更好的层状结构以获得高导通电流。
对于拓扑绝缘体层701，虽然拓扑绝缘体材料众多，但是真正能在室温下保持拓扑绝缘性的并不多，例如Bi2Se3、Sb2Te3或Bi2Te3(参见：Robustness of topological orderand formation of quantum well states in topological insulators exposed toambient environment，3694-3698，PNAS，March 6，2012，vol.109，no.1)都是不错的选择。
电介质层702可采用金属Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、In、Tl、Sn、Pb、Ga、Sb、Bi、Se、Te、Po的氧化物、氮化物或氮氧化物，或采用半导体材料Si、Ge的氧化物、氮化物或碳化物。优选的是与拓扑绝缘体具有相同的或相近的晶体结构，或者很容易结晶，能与拓扑绝缘体形成很好的晶格匹配，由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的氧化物、氮化物或碳化物，例如铋硒氧化物(BiSeO)、锑碲氮化物(SbTeN)或铋碲碳化物(BiTeC)。
图5-图7示出了将本实施例的磁性随机存储器的读写操作示意图，其中还设置了分别与第一极性部71、第二极性部72和底电极1相连的金属线81、82和83，以及分别与金属线81和顶电极相连的三极管91和三极管92，三极管91和三极管92的一端加载信号，金属线82和金属线83接地。
如图5所示，在该过程中，三极管92关闭，三极管91导通，在三极管91一端输入一个正向脉冲(写电压Vw)，此时写电流经过金属线81，从第一极性部71流入，将普通电流转变为100％极化的自旋电流，并流入记忆层4，通过自旋电流力矩将记忆层4的磁化方向转向为“↑”，然后从第二极性部72流出，通过金属线82，最终流入地线。从而将存储器置为低阻态“↑↑”(针对本实施例中参考层2的磁化方向为“↑”)或“↓↓”(如参考层2的磁化方向为“↓”)。
如图6所示，在该过程中，三极管92关闭，三极管91导通，在三极管91一端输入一个负向脉冲(写电压-Vw)，此时写电流经过金属线82，从第二极性部72流入，将普通电流转变为100％极化的自旋电流，并流入记忆层4，通过自旋电流力矩将记忆层4的磁化方向转向为“↓”，然后从第一极性部71流出，通过金属线81流出。从而将存储器置为高阻态“↑↓”(针对本实施例中参考层2的磁化方向为“↑”)或“↓↑”(如参考层2的磁化方向为“↓”)。
如图7所示，在该过程中，三极管91关闭，三极管92导通，在三极管92一端输入一个正向脉冲(读电压Vr)，此时读电流经过顶电极6、覆盖层5、记忆层4、势垒层3、参考层2，然后从底电极1流出，通过金属线83，最终流入地线。从而完成了对于存储信息的读取。在读过程中，读电压Vr应小于或远低于写电压Vw和势垒层3的击穿电压Vbd，以确保读电流不会改变记忆层4的磁化方向，避免在记忆层4中错误写入信号或势垒层被高压击穿。
本实施例的磁性随机存储器采用独立的读、写控制电路，从而可以对读、写控制电路进行各自独立设计及优化，使其各自达到最佳的工作状态。这样的磁性随机存储器具有高速读写，高可靠性，及低功耗。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种磁性随机存储器，包括
参考层，所述参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
记忆层，所述记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
势垒层，所述势垒层位于所述参考层和所述记忆层之间且分别与所述参考层和所述记忆层相邻；
其特征在于，还包括
由重复交替设置的拓扑绝缘体层和电介质层构成的自旋滤波层，所述自旋滤波层包括间隔开的第一极性部和第二极性部，所述第一极性部和所述第二极性部分别与所述记忆层电连接并形成完整的写电路；
底电极，所述底电极与所述参考层电连接；
所述第一极性部连接置位电极，所述第二极性部接地，从而通过在所述第一极性部、所述记忆层和所述第二极性部所形成的通路上加载不同方向的电流来改变所述记忆层的磁化方向；
还包括覆盖层和顶电极，所述覆盖层分别与所述记忆层和所述顶电极层相邻。
2.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述拓扑绝缘体层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的化合物，或者在上述化合物中掺杂Cr或Mn。
3.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述电介质层采用金属Mg、Ca、Sr、Ba、Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、In、Tl、Sn、Pb、Ga、Sb、Bi、Se、Te、Po的氧化物、氮化物或氮氧化物，或采用半导体材料Si、Ge的氧化物、氮化物或碳化物。
4.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述电介质层采用由元素Bi和Sb中的至少一种，以及元素Se和Te中的至少一种所形成的氧化物、氮化物或碳化物。
5.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，通过退火改善所述自旋滤波层的导电性能。
6.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，采用独立的读控制电路和写控制电路，从而可单独对读控制电路和写控制电路做设计及优化。
7.如权利要求6所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述读控制电路控制读电流通过所述记忆层、所述势垒层、所述参考层所组成的磁性隧道结，并通过所述底电极。
8.如权利要求1-7任一所述的磁性随机存储器的读写方法，其特征在于，
写操作：在所述第一极性部和所述第二极性部上加载写电压，从而通过流经所述第一极性部、所述记忆层和所述第二极性部的写电流来改变所述记忆层的磁化方向，所述记忆层的磁化方向由写电流的方向确定；
读操作：在所述记忆层和所述底电极上加载读电压，产生读电流，所述读电流的大小不足以改变所述记忆层的磁化方向，并且所述读电压低于所述势垒层的击穿电压。
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