CN107946454A - 一种磁随机存储器及其写入方法、读取方法和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁随机存储器及其写入方法、读取方法和制备方法，该磁随机存储器包括依次堆叠设置的衬底层、铁电层、复合反铁磁结构、第一隔离层和第一铁磁层，复合反铁磁结构为磁随机存储器的自由层，第一铁磁层为磁随机存储器的固定层；铁电层在外加电压作用下发生极化或晶格形变，用于改变复合反铁磁结构的耦合状态；第一铁磁层具备恒定的第一磁矩方向；第一隔离层用于控制第一磁矩方向不受复合反铁磁结构耦合状态的影响。此磁随机存储器，利用电场作用下复合反铁磁结构铁磁耦合和反铁磁耦合的相互转变，实现MRAM的写入，解决了用导线的感应磁场或极化电流实现MRAM写入时，线宽较宽导致的MRAM尺寸较大，MRAM存储密度较低的问题，实现高密度存储。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体和存储器件领域，尤其涉及一种磁随机存储器及其写入方法、读取方法和制备方法。
背景技术
传统的磁随机存储器(Magnetic random access memory，MRAM)由自由层、隔离层和固定层构成，位于字线和位线的垂直交叉处；写入过程中通过字线和位线上的电流磁感应效应产生磁场，使自由层的磁化方向翻转；通过自由层与固定层的磁化方向相同实现低磁阻，磁化方向相反实现高磁阻。MRAM通过检测磁阻的高低判断存储的数据是0还是1。由于需要很大电流才能使自由层的磁化方向翻转，在高密度存储的大背景下，字线和位线的线宽必须做到很小，这将使得导线面临一个很大的电流密度，容易导致烧毁交叉线损毁MRAM。
现阶段一种发展相对成熟的商业化的MRAM的写入方法是利用自旋转矩效应(spin-transfer torque，STT)，通过极化电流来带动MRAM自由层的磁化方向翻转，即STT-MRAM。STT-MRAM不再依靠电流的磁感应强度写入MRAM，直接将电流极化与自由层发生相互作用来写入MRAM，使得MRAM的集成密度有很大提高，但是极化电流来翻转磁化方向仍需要很高的电流密度，所以依旧面临着线宽以及MRAM的尺寸，即MRAM存储密度受限的问题。同时，传统的单相反铁磁材料，由于反铁磁的磁相互作用远高于铁磁材料的磁相互租用，基本无法实现其磁化的改变。
发明内容
本发明提供一种磁随机存储器及其写入方法、读取方法和制备方法，解决现有技术中用导线的感应磁场或极化电流实现MRAM写入时，线宽较宽导致的MRAM尺寸较大，MRAM存储密度较低的问题。
第一方面，本发明实施例提出一种磁随机存储器，该磁随机存储器包括依次堆叠设置的衬底层、铁电层、复合反铁磁结构、第一隔离层和第一铁磁层，所述复合反铁磁结构为所述磁随机存储器的自由层，所述第一铁磁层为所述磁随机存储器的固定层；
所述铁电层在外加电压作用下发生极化或晶格形变，用于改变所述复合反铁磁结构的耦合状态；
所述第一铁磁层具备恒定的第一磁矩方向；
所述第一隔离层用于控制所述第一磁矩方向不受所述复合反铁磁结构耦合状态的影响。
第二方面，本发明实施例提出一种磁随机存储器的写入方法，所述磁随机存储器包括依次堆叠设置的衬底层、铁电层、复合反铁磁结构、第一隔离层和第一铁磁层；
所述磁随机存储器的写入方法包括：
获取所述磁随机存储器的写入指令；
根据所述写入指令向所述铁电层施加电压信号，以使所述铁电层发生极化，改变所述复合反铁磁结构的耦合状态；
根据所述耦合状态获取所述复合反铁磁结构的第一电阻值；
根据所述第一电阻值对所述磁随机存储器进行写入操作。
第三方面，本发明实施例提出一种磁随机存储器的读取方法，所述磁随机存储器包括依次堆叠设置的衬底层、铁电层、复合反铁磁结构、第一隔离层和第一铁磁层；
所述磁随机存储器的读取方法包括：
获取所述磁随机存储器的读取指令；
根据所述读取指令向所述复合反铁磁结构施加电流信号，读取所述复合反铁磁结构的第二电阻值；
根据所述第二电阻值对所述磁随机存储器进行读取操作。
第四方面，本发明实施例提出一种磁随机存储器的制备方法，该制备方法包括：
提供一衬底层；
在所述衬底层一侧制备铁电层；
在所述铁电层远离所述衬底层的一侧制备复合反铁磁结构；
在所述复合反铁磁结构远离所述铁电层的一侧制备第一隔离层；
在所述第一隔离层远离所述复合反铁磁结构的一侧制备第一铁磁层；
其中，所述铁电层在外加电压作用下发生极化或相变，用于改变所述复合反铁磁结构的耦合状态；
所述第一铁磁层具备恒定的第一磁矩方向；
所述第一隔离层用于控制所述第一磁矩方向不受所述复合反铁磁结构耦合状态的影响。
本发明实施例提供的技术方案，通过控制施加在铁电层的电场的方向控制复合反铁磁结构实现铁磁耦合和反铁磁耦合的相互转变，对应磁随机存储器的两个有效的高低阻态，实现磁随机存储器的写入，降低了磁随机存储器的写入能耗，同时可以将磁随机存储器的尺寸缩小到几十纳米到几个纳米的尺度，实现了高密度存储。解决了用导线的感应磁场或极化电流实现磁随机存储器写入时，线宽较宽导致的磁随机存储器尺寸较大，磁随机存储器存储密度较低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种磁随机存储器的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种磁随机存储器的工作原理示意图；
图3是本发明实施例一提供的一种磁随机存储器的另一工作原理示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种磁随机存储器的写入方法流程示意图；
图5是本发明实施例三提供的一种磁随机存储器的读取方法流程示意图；
图6是本发明实施例四提供的一种磁随机存储器的制备方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种磁随机存储器的结构示意图。参见图1，该磁随机存储器包括依次堆叠设置的衬底层110、铁电层120、复合反铁磁结构130、第一隔离层140和第一铁磁层150，复合反铁磁结构130为磁随机存储器的自由层，第一铁磁层150为磁随机存储器的固定层；铁电层120在外加电压作用下发生极化或相变，用于改变复合反铁磁结构130的耦合状态；第一铁磁层150具备恒定的第一磁矩方向；第一隔离层用于控制第一磁矩方向不受复合反铁磁结构130耦合状态的影响。
示例性的，图1中以XY方向为例对本实施例提供的磁随机存储器的结构进行说明。图中，第一铁磁层150具备恒定的第一磁矩方向，即图1中第一铁磁层150中的箭头所指的X正方向为第一磁矩方向。同时，由于第一隔离层140的存在，第一磁矩方向不受复合反铁磁结构130的耦合状态的影响，即第一铁磁层150的第一磁矩方向总是指向X正方向。
复合反铁磁结构130的耦合状态随铁电层120的极化或相变而发生变化，可选的，复合反铁磁结构130在初始状态下处于反铁磁耦合状态。示例性的，在给铁电层120施加一个正电场后，铁电层120发生极化或产生可逆微相变；一方面，铁电层120的极化即铁电层120内电畴方向变化，从而带动复合反铁磁结构130的磁矩方向转动，破坏了复合反铁磁结构130的反铁磁耦合；另一方面，铁电层120发生微相变，产生应力，作用在复合反铁磁结构130，使复合反铁磁结构130产生微相变，引起自身磁矩方向转动，同样破坏了复合反铁磁结构130的反铁磁耦合，从而复合反铁磁结构130，也即磁随机存储器获得一个低阻态。随后，给铁电层120施加一个反向电场，铁电层120的极化方向发生翻转且可逆微相变恢复；一方面，铁电层120的极化方向翻转即铁电层120的电畴方向恢复，从而带动复合反铁磁结构130的磁矩方向恢复，从而使得复合反铁磁结构130恢复反铁磁耦合；另一方面，铁电层120的可逆微相变恢复，即其施加在复合反铁磁结构130的应力作用恢复，复合反铁磁结构130的微相变同样恢复，从而复合反铁磁结构130的磁矩方向恢复，即反铁磁结构130恢复反铁磁耦合，从而复合反铁磁结构130，也即磁随机存储器获得一个高阻态。高阻态和低阻态之间的阻值差异在几十到几百欧姆之间。这样，两个有效的高低电阻值，可以被记为计算机机器语言中的“0”和“1”，实现磁随机存储器的读写过程。
本发明实施例提供的磁随机存储器通过在铁电层120施加电场来改变复合反铁磁结构130的耦合状态，利用复合反铁磁结构130磁矩的转动实现铁磁耦合和反铁磁耦合的转化，获得两个有效的高低阻态，从而实现磁随机存储器的写入，突破了传统用导线的感应磁场来实现磁随机存储器的写入，大大降低了磁随机存储器的写入能耗，同时可以将磁随机存储器的尺寸缩小到几十纳米到几个纳米的尺度，实现了高密度存储。解决了用导线的感应磁场或极化电流实现磁随机存储器写入时，线宽较宽导致的磁随机存储器尺寸较大，磁随机存储器存储密度较低的问题。此外，磁随机存储器依然保持其固有的读写速度快、非易失性和热稳定性好等优势，结合本实施例提出的存储密度高的特点，使得磁随机存储器可以作为计算机中的通用存储器直接将数据供给中央处理器(Central Processing Unit，CPU)进行逻辑运算，从而减少线程中所消耗的大量时间，从而提高整个计算机的运行效率。
继续参见图1，本发明实施例提供的磁随机存储器中，复合反铁磁结构130可以包括依次堆叠于铁电层120上的第二铁磁层131、第二隔离层132和第三铁磁层133；第二铁磁层131具备第二磁矩方向，第二磁矩方向根据铁电层120的极化或相变情况发生改变；第三铁磁层133具备恒定的第三磁矩方向；第二隔离层132用于控制第三磁矩方向不受第二铁磁层131的影响；当第二磁矩方向与第三磁矩方向相同或者第二磁矩方向与第三磁矩方向之间的夹角小于180°时，复合反铁磁结构130处于铁磁耦合状态；当第二磁矩方向与第三磁矩方向相反时，复合反铁磁结构130处于反铁磁耦合状态。示例性的，图1仅以第二磁矩方向初始沿X正方向，第三磁矩方向初始沿X负方向为例进行说明。
示例性的，图2是本发明实施例一提供的一种磁随机存储器的工作原理示意图，图3是本发明实施例一提供的一种磁随机存储器的另一工作原理示意图，图2和图3仅示例性的示出了给铁电层120施加电场后，第二铁磁层131的第二磁矩方向的变化情况，图2以铁电层120施加电场后发生极化为例进行说明，图3以铁电层120施加电场后发生相变为例进行说明。
参见图2，在给铁电层120施加一个正电场后，铁电层120发生极化，示例性的，极化方向沿Y正方向，如图2铁电层120中带箭头的虚线所示，铁电层120的极化使第二铁磁层131的第二磁矩方向由沿X正方向向沿X负方向转动，如图2第二铁磁层131中带箭头的虚线所示，这样第二磁矩方向和第三磁矩方向之间的夹角小于180°，从而在Y方向上产生一个净磁矩分量，破坏了复合反铁磁结构130的反铁磁耦合。随后，给铁电层120施加一个反向电场，铁电层120的极化方向发生翻转，示例性的极化方向沿Y负方向，如图2铁电层120中带箭头的实线所示，第二铁磁层131的第二磁矩方向恢复沿X正方向，如图2第二铁磁层131中带箭头的实线所示，此时，第二磁矩方向沿X正方向，第三磁矩方向沿X负方向，即第二磁矩方向和第三磁矩方向相反，复合反铁磁结构130恢复反铁磁耦合。
参见图3，在给铁电层120施加一个正电场后，铁电层120发生可逆微相变，从而产生应力，所述应力作用于第二铁磁层131，使第二铁磁层131发生微相变，引起自身磁矩方向，也就是磁畴方向由X正方向向X负方向发生不同程度的转动，相变程度越大，磁畴转动的角度越大。如图3中箭头之上的第二铁磁层131中的虚线所示，多个磁畴的转动在宏观上表现出来的磁矩的变化可由图3中箭头之下的第二铁磁层131中的虚线表示，这样第二磁矩方向和第三磁矩方向之间的夹角小于180°，从而在Y方向上产生一个净磁矩分量，破坏了复合反铁磁结构130的反铁磁耦合。随后，给铁电层120施加一个反向电场，铁电层120的可逆微相变恢复，即其施加在第二铁磁层131的应力作用消失，第二铁磁层131的微相变同样恢复，从而第二铁磁层131的磁矩方向恢复为沿X正方向，图3中实线所示，此时第二磁矩方向沿X正方向，第三磁矩方向沿X负方向，即第二磁矩方向和第三磁矩方向相反，复合反铁磁结构130恢复反铁磁耦合。
本发明实施例提供的磁随机存储器通过在铁电层120施加电场来改变第二铁磁层131的磁矩方向，当第二磁矩方向和第三磁矩方向相同或者第二磁矩方向与第三磁矩方向之间的夹角小于180°时，则在Y方向上有一个净磁矩分量，从而破坏复合反铁磁结构130的反铁磁耦合。这样，不需要第二磁矩方向发生180度翻转，而是从没有净磁矩向有净磁矩转化，不需要很大的电流密度就能实现复合反铁磁结构130反铁磁耦合与铁磁耦合的转换，降低了磁随机存储器的能耗。同时，采用第二铁磁层131、第二隔离层132和第三铁磁层133构成的复合反铁磁结构130替代传统的反铁磁材料，解决了传统的反铁磁材料的反铁磁耦合与铁磁耦合不能实现可逆转换的问题，配合施加电场后，铁电层120的应力与极化作用，实现了复合反铁磁结构130的反铁磁耦合与铁磁耦合的转换，从而获得了两个有效的高低阻态，即在小电流下实现了磁随机存储器的写入。
进一步地，继续参见图1，本发明实施例一提供的磁随机存储器还可以包括位于第一铁磁层150远离第一隔离层140一侧的反铁磁层160；反铁磁层160用于与第一铁磁层150之间发生交换耦合作用，控制第一磁矩方向恒定不变，示例性的，第一磁矩方向总是指向X正方向。其中，交换耦合作用是指当两种不同的磁性材料间传送自旋信息，从而使它们的磁矩有一优先的特殊相对取向的现象。示例性的，本发明实施例一提供的磁随机存储器中反铁磁层160与第一铁磁层150间相互作用，使第一铁磁层150的磁矩方向恒定，总是指向X方向。
进一步地，本发明实施例一提供的磁随机存储器，衬底层110靠近铁电层120的一侧形成有导电阵列，导电阵列用作铁电层120的底电极。示例性的，衬底层110为单晶硅，通过紫外光刻技术，刻出导电硅阵列作为铁电层120的底电极，无需再引入其他导电材料，节省了成本。
进一步地，继续参见图1，本发明实施例一提供的磁随机存储器还可以包括缓冲层170，缓冲层170位于衬底层110和铁电层120之间，作为制备铁电层120的缓冲层，用于匹配铁电层120，使形成的铁电层120的物理性能良好。示例性的，衬底层110为单晶硅时，晶格常数为3.83埃米；铁电层120通常采用铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)或者锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)，其晶格常数为4.02埃米，由此，单晶硅和铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)或者锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)的晶格失配度为4.6％，这样若在硅单晶衬底上直接形成铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)或者锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)，一是不容易得到单晶外延的薄膜，从而导致铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)或者锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)薄膜的物理性能较差；二是，形成的铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)或者锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)薄膜容易发生脱落或断裂，导致整个磁随机存储器无法正常工作。而缓冲层170材料为钛酸锶(STO)，其晶格常数为3.905，晶格失配度为1.8％，由此，缓冲层170的晶格常数介于衬底层110和铁电层120之间，可以很好的解决上述晶格失配问题，从而容易在衬底层110上形成物理性能良好的铁电层120。
实施例二
图4是本发明实施例二提供的一种磁随机存储器的写入方法流程示意图，参见图4，在实施例一的基础上，本实施例提供的磁随机存储器包括依次堆叠设置的衬底层、铁电层、复合反铁磁结构、第一隔离层和第一铁磁层，本发明实施例提供的磁随机存储器的写入方法包括：
S210、获取所述磁随机存储器的写入指令。
其中，写入指令是指由与磁随机存储器相连的一控制电路获取的一机器指令，示例性地包括键入字符或粘贴图片等对应的指令，获取路径示例性地包括利用键盘写入、鼠标单击等对应生成的指令，本实施例中并不对此做限定。
S220、根据所述写入指令向所述铁电层施加电压信号，以使所述铁电层发生极化，改变所述复合反铁磁结构的耦合状态。
其中，根据写入指令向铁电层施加的电压信号包括正电场信号和反向电场信号，示例性的，向铁电层施加正电场时，铁电层极化方向指向复合反铁磁结构；向铁电层施加反向电场信号时，铁电层极化方向指向衬底层，本实施例中并不对此做限定。同时，在向铁电层施加电信号时，还伴随着铁电层的可逆微相变，即向铁电层施加正电场时，铁电层发生相变；向铁电层施加反向电场时，铁电层的相变恢复。上述铁电层在电场作用下的极化或相变，作用于复合反铁磁结构，改变其耦合状态，即使反铁磁结构的耦合状态在铁磁耦合与反铁磁耦合间相互转换。
S230、根据所述耦合状态获取所述复合反铁磁结构的第一电阻值。
其中，第一电阻值指反铁磁复合结构在不同的耦合状态下具备的电阻值，例如，反铁磁耦合结构在铁磁耦合状态具备较低的电阻值，在反铁磁耦合状态具备较高的电阻值，第一电阻值可以是两个有效的高低电阻值，也可以是两个有效的高低电阻值范围，本发明实施例对此不进行限定。具体的，当反铁磁结构处于反铁磁耦合时，第二铁磁层和第三铁磁层的磁化方向完全相反，电子不容易通过反铁磁结构，从而反铁磁结构处于高阻态，示例性的，电阻值为200-300欧姆；当反铁磁结构处于铁磁耦合时，第二铁磁层和第三铁磁层的磁化方向相同或者第二铁磁层和第三铁磁层的磁化方向有一个夹角，使得电子容易穿过反铁磁结构进行传输，从而反铁磁结构处于低阻态，示例性的，电阻值为50-80欧姆。由此，可根据耦合状态获取复合反铁磁结构的第一电阻值。
S240、根据所述第一电阻值对所述磁随机存储器进行写入操作。
其中，第一电阻值包括的两个有效的高低电阻值可以被记为计算机机器语言中的“0”和“1”，将第一电阻值对应的“0”和“1”语言存储到磁随机存储器中，即完成磁随机存储器的写入操作。
本发明实施例提供的磁随机存储器的写入方法，根据磁随机存储器的写入指令向铁电层施加电信号，使其发生极化或产生微相变，以改变复合反铁磁结构的耦合状态，实现两个有效的高低电阻值，从而完成磁随机存储器的写入，解决了用导线的感应磁场或极化电流实现磁随机存储器写入时，线宽较宽导致的磁随机存储器尺寸较大，即磁随机存储器存储密度较低的问题，利用电场实现磁随机存储器的写入，不需要大电流密度，降低了磁随机存储器的写入能耗，同时，可以将导线做窄，从而可以将磁随机存储器的尺寸缩小到几十纳米到几个纳米的尺度，实现高密度存储。
实施例三
图5是本发明实施例三提供的一种磁随机存储器的读取方法流程示意图，参见图5，在上述实施例的基础上，本实施例提供的磁随机存储器包括依次堆叠设置的衬底层、铁电层、复合反铁磁结构、第一隔离层和第一铁磁层，本发明实施例提供的磁随机存储器的读取方法包括：
S310、获取所述磁随机存储器的读取指令。
其中，读取指令是指由与磁随机存储器相连的一控制电路获取的一机器指令，示例性地包括显示字符、显示图片、播放影音等对应的指令，获取路径包括将鼠标单击等动作对应生成的指令。
S320、根据所述读取指令向所述复合反铁磁结构施加电流信号，读取所述复合反铁磁结构的第二电阻值。
其中，向复合反铁磁结构施加电流信号后检测到的电流信号为一脉冲电流信号，电流信号的大小反映出第二电阻值，即复合反铁磁结构电阻值的大小。具体的，电流较小时，对应复合反铁磁结构为高阻态；电流较大时，对应复合反铁磁结构为低阻态。需要说明的是，本发明实施例所述的第二电阻值与磁随机存储器写入方法对应的第一电阻值可以是相同的电阻值，即在进行读取操作时获取的电阻值与写入操作时获取的电阻值相同；或者，第二电阻值与磁随机存储器写入方法对应的第一电阻值可以是不相同的电阻值，例如，磁随机存储器在高阻态和低阻态对应的电阻值是一个电阻值范围，第二电阻值和第一电阻值均处于所述电阻值范围内，但具体数值可以不完全相同。
S330、根据所述第二电阻值对所述磁随机存储器进行读取操作。
其中，第一电阻值包括的两个有效的高低电阻值可以被记为计算机机器语言中的“0”和“1”，将第一电阻值对应的“0”和“1”语言从磁随机存储器读出，即完成磁随机存储器的读取操作。
本发明实施例提供的磁随机存储器的读取方法，通过复合反铁磁结构的高低阻态实现磁随机存储器存储信息的读取过程，解决了传统的单相反铁磁材料无法实现磁化的改变，即无法实现两个有效的高低阻态的问题，保证磁随机存储器读取方法简单。
实施例四
图6是本发明实施例四提供的一种磁随机存储器的制备方法流程示意图，参见图6，本实施例提供的磁随机存储器的制备方法包括：
S410、提供一衬底层。
其中，衬底层示例性的包括单晶硅衬底。由于现阶段单晶硅的生产工艺已成熟，选用单晶硅做衬底，可有效地降低磁随机存储器的制备成本。
S420、在所述衬底层一侧制备铁电层。
其中，铁电层材料示例性的包括铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)，厚度为100-200纳米。制备方法示例性的包括溅射法、分子束外延和脉冲激光沉积等真空制备方法。
S430、在所述铁电层远离所述衬底层的一侧制备复合反铁磁结构。
其中，复合反铁磁结构包括第二铁磁层、第二隔离层和第三铁磁层。
进一步地，步骤430包括：
在所述铁电层远离所述衬底层的一侧制备第二铁磁层。
示例性的，第二铁磁层材料为钴铁硼(CoFeB)，厚度为3纳米。
在所述第二铁磁层远离所述铁电层的一侧制备第二隔离层。
示例性的，第二隔离层为钌(Ru)金属层，厚度为0.45-0.65纳米。
在所述第二隔离层远离所述第二铁磁层的一侧制备第三铁磁层。
示例性的，第三铁磁层材料为钴铁硼(CoFeB)，厚度为5纳米。
其中，所述第二铁磁层具备第二磁矩方向，所述第二磁矩方向根据所述铁电层的极化情况发生改变；所述第三铁磁层具备恒定的第三磁矩方向；所述第二隔离层用于控制所述第三磁矩方向不受所述第二铁磁层的影响；当所述第二磁矩方向与所述第三磁矩方向不相反时，所述复合反铁磁结构处于铁磁耦合状态；当所述第二磁矩方向与所述第三磁矩方向相反时，所述复合反铁磁结构处于反铁磁耦合状态。具体同前，在此不再赘述。
其中，第二铁磁层、第二隔离层和第三铁磁层的制备方法示例性的包括溅射法、分子束外延和脉冲激光沉积等真空制备方法。
S440、在所述复合反铁磁结构远离所述铁电层的一侧制备第一隔离层。
其中，第一隔离层示例性的包括氧化镁(MgO)层或铜(Cu)金属层。
第一隔离层为氧化镁层时，其厚度为2纳米，制备方法采用热沉积工艺，即在利用真空制备方法形成氧化镁的过程中需要对衬底加热，具体加热温度根据实际需求设定，本实施例在此不做限定。
第一隔离层为铜金属层时，其厚度为2-5纳米，制备方法示例性的包括溅射法、分子束外延和脉冲激光沉积等真空制备方法。
S450、在所述第一隔离层远离所述复合反铁磁结构的一侧制备第一铁磁层。
其中，第一铁磁层材料示例性的包括钴铁硼(CoFeB)，其厚度为3纳米，制备方法示例性的包括溅射法、分子束外延和脉冲激光沉积等真空制备方法。
其中，铁电层在外加电场作用下发生极化或相变，用于改变复合反铁磁结构的耦合状态；第一铁磁层具备恒定的第一磁矩方向；第一隔离层用于控制第一磁矩方向不受复合反铁磁结构的耦合状态的影响。
进一步地，在步骤S420之前还包括：在所述单晶硅衬底层上制备缓冲层。
其中，缓冲层材料示例性的包括钛酸锶(SrTiO3，STO)，其厚度为3-10纳米，用于缓解衬底层与铁电层之间的晶格失配，制备方法采用热沉积工艺。
进一步地，在步骤S450之后还包括：在所述第一铁磁层远离所述第一隔离层的一侧制备第一反铁磁层。
其中，第一反铁磁层材料示例性的包括铱锰(IrMn)，其厚度为10纳米，用于与第一铁磁层之间发生交换耦合作用，控制第一磁矩方向恒定不变，制备方法示例性的包括溅射法、分子束外延和脉冲激光沉积等真空制备方法。
本实施例提供的磁随机存储器的制备方法中，各层的工艺参数，示例性的如本底真空、溅射功率、激光功率、气体流量和制备时间等根据实际需求设定，在此不做限定。同时，钴铁硼(Co80-mFemB)和铌镁酸铅-钛酸铅(PMN1-n-PTn)中m和n的取值可根据实际需求设置，在此不做限定。
本发明实施例提供的磁随机存储器的制备方法，通过真空方法依次沉积各材料层，不破坏真空氛围，保证了制备工艺的连续性，易于实现大规模生产。同时，本实施例制备得到的磁随机存储器通过在铁电层施加电场来改变复合反铁磁结构的耦合状态，利用复合反铁磁结构磁矩的转动实现铁磁耦合和反铁磁耦合的转化，获得两个有效的高低阻态，从而实现磁随机存储器的写入，可以将磁随机存储器的尺寸缩小到几十纳米到几个纳米的尺度，实现了高密度存储。解决了用导线的感应磁场或极化电流实现磁随机存储器写入时，线宽较宽导致的磁随机存储器尺寸较大，即磁随机存储器存储密度较低的问题。同时，通过在铁电层施加电场来改变第二铁磁层的磁矩方向，破坏复合反铁磁结构的反铁磁耦合。这样，不需要第二磁矩方向发生180度翻转，而是从没有净磁矩向有净磁矩转化，不需要很大的电流密度就能实现复合反铁磁结构反铁磁耦合与铁磁耦合的转换，降低了磁随机存储器的能耗。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种磁随机存储器，其特征在于，包括依次堆叠设置的衬底层、铁电层、复合反铁磁结构、第一隔离层和第一铁磁层，所述复合反铁磁结构为所述磁随机存储器的自由层，所述第一铁磁层为所述磁随机存储器的固定层；
所述铁电层在外加电压作用下发生极化或相变，用于改变所述复合反铁磁结构的耦合状态；
所述第一铁磁层具备恒定的第一磁矩方向；
所述第一隔离层用于控制所述第一磁矩方向不受所述复合反铁磁结构耦合状态的影响。
2.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述复合反铁磁结构包括依次堆叠于所述铁电层上的第二铁磁层、第二隔离层和第三铁磁层；
所述第二铁磁层具备第二磁矩方向，所述第二磁矩方向根据所述铁电层的极化或相变情况发生改变；
所述第三铁磁层具备恒定的第三磁矩方向；
所述第二隔离层用于控制所述第三磁矩方向不受所述第二铁磁层的影响；
当所述第二磁矩方向与所述第三磁矩方向相同或者所述第二磁矩方向与所述第三磁矩方向之间的夹角小于180°时，所述复合反铁磁结构处于铁磁耦合状态；
当所述第二磁矩方向与所述第三磁矩方向相反时，所述复合反铁磁结构处于反铁磁耦合状态。
3.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，还包括位于所述第一铁磁层远离所述第一隔离层一侧的反铁磁层；
所述反铁磁层用于与所述第一铁磁层之间发生交换耦合作用，控制所述第一磁矩方向恒定不变。
4.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，所述衬底层靠近所述铁电层的一侧形成有导电阵列，所述导电阵列用于作为所述铁电层的底电极。
5.根据权利要求1所述的磁随机存储器，其特征在于，还包括缓冲层；
所述缓冲层位于所述衬底层与所述铁电层之间，所述缓冲层用于匹配所述铁电层。
6.根据权利要求5所述的磁随机存储器，其特征在于，所述缓冲层的材料为钛酸锶，所述铁电层的材料为铌镁酸铅-钛酸铅或者锆钛酸铅压电陶瓷。
7.一种磁随机存储器的写入方法，其特征在于，所述磁随机存储器包括依次堆叠设置的衬底层、铁电层、复合反铁磁结构、第一隔离层和第一铁磁层；
所述磁随机存储器的写入方法包括：
获取所述磁随机存储器的写入指令；
根据所述写入指令向所述铁电层施加电压信号，以使所述铁电层发生极化，改变所述复合反铁磁结构的耦合状态；
根据所述耦合状态获取所述复合反铁磁结构的第一电阻值；
根据所述第一电阻值对所述磁随机存储器进行写入操作。
8.一种磁随机存储器的读取方法，其特征在于，所述磁随机存储器包括依次堆叠设置的衬底层、铁电层、复合反铁磁结构、第一隔离层和第一铁磁层；
所述磁随机存储器的读取方法包括：
获取所述磁随机存储器的读取指令；
根据所述读取指令向所述复合反铁磁结构施加电流信号，读取所述复合反铁磁结构的第二电阻值；
根据所述第二电阻值对所述磁随机存储器进行读取操作。
9.一种磁随机存储器的制备方法，其特征在于，包括：
提供一衬底层；
在所述衬底层一侧制备铁电层；
在所述铁电层远离所述衬底层的一侧制备复合反铁磁结构；
在所述复合反铁磁结构远离所述铁电层的一侧制备第一隔离层；
在所述第一隔离层远离所述复合反铁磁结构的一侧制备第一铁磁层；
其中，所述铁电层在外加电压作用下发生极化或晶格形变，用于改变所述复合反铁磁结构的耦合状态；
所述第一铁磁层具备恒定的第一磁矩方向；
所述第一隔离层用于控制所述第一磁矩方向不受所述复合反铁磁结构耦合状态的影响。
10.根据权利要求9所述的磁随机存储器的制备方法，其特征在于，在所述铁电层远离所述衬底层的一侧制备复合反铁磁结构，包括：
在所述铁电层远离所述衬底层的一侧制备第二铁磁层；
在所述第二铁磁层远离所述铁电层的一侧制备第二隔离层；
在所述第二隔离层远离所述第二铁磁层的一侧制备第三铁磁层；
其中，所述第二铁磁层具备第二磁矩方向，所述第二磁矩方向根据所述铁电层的极化情况发生改变；
所述第三铁磁层具备恒定的第三磁矩方向；
所述第二隔离层用于控制所述第三磁矩方向不受所述第二铁磁层的影响；
当所述第二磁矩方向与所述第三磁矩方向相同或者所述第二磁矩方向与所述第三磁矩方向之间的夹角小于180°时，所述复合反铁磁结构处于铁磁耦合状态；
当所述第二磁矩方向与所述第三磁矩方向相反时，所述复合反铁磁结构处于反铁磁耦合状态。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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