CN110379917B - 一种磁多层结构、磁性结器件和磁性随机存储装置及其辅助写入和直接读取方法 - Google Patents

一种磁多层结构、磁性结器件和磁性随机存储装置及其辅助写入和直接读取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁多层结构、磁性结器件和磁性随机存储装置及其辅助写入和直接读取方法，包括：一电致磁性层和一绝缘辅助层；电致磁性层和绝缘辅助层组成层叠结构；绝缘辅助层中设置有若干微导电通道，微导电通道用于写入和读取电流的通过；绝缘辅助层的磁化方向垂直于层平面或平行于层平面；其中，在无电场时，电致磁性层处于顺磁状态；磁多层结构置于电场中，电致磁性层能够实现顺磁态和铁磁态的转变。在电场调控下，其中的电致磁性层由顺磁态转变为铁磁态，利用电致磁性层铁磁态同时与绝缘辅助层和磁性结的磁性自由层间的交换耦合作用辅助磁性自由层翻转，从而实现减小磁性自由层翻转所需要电流密度的目的。

Description

一种磁多层结构、磁性结器件和磁性随机存储装置及其辅助 写入和直接读取方法
技术领域
本发明属于具有磁性的材料或结构组成的器件、电路及其应用技术领域，特别涉及一种磁多层结构、磁性结器件和磁性随机存储装置及其辅助写入和直接读取方法。
背景技术
磁性隧道结(Magnetic Tunnel junction，MTJ)一般由两层铁磁金属和一层非磁性势垒层组成；其中，铁磁金属可为铁、钴或镍等。两层铁磁金属其中一层为磁性自由层，其容易通过外加磁场来改变其磁化状态；另一层为磁性固定层，其不易被磁场改变磁化状态，一般可通过增大厚度或者使用交换耦合作用实现。磁性隧道结的电阻取决于两层铁磁金属的磁化方向的相对取向，这种现象被称作隧穿磁阻(Tunneling Magneto-Resistance,，TMR)；当两层铁磁金属的磁化方向同向平行时，由于能带适配，在共振隧穿效应的作用下，通过非磁性势垒层的隧穿电流增大，磁性隧道结整体表现为低阻态；当两层铁磁金属的磁化方向反向平行时，由于价带失配，故而非磁性势垒层的隧穿电流较小，整体表现为高阻态。
自旋阀(Spin Valve)是由铁磁非磁导体交替构成的磁多层结构；其层数最少情况时一共有三层，包括两层铁磁导体，以及两者中间夹着的一层非磁导体。两层铁磁导体其中一层为磁性自由层，另一层为磁性固定层。自旋阀的电阻取决于两层铁磁导体的磁化方向的相对取向，这种现象被称作巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistance，GMR)。一个导体总的导电性取决于自旋向上通道导电性和自旋向下通道导电性的共同作用；为了方便理解，可以粗略的认为总电阻为这两个通道电阻的并。在磁化方向同向平行时，在之前的铁磁层磁化方向导电较强的通道在之后的铁磁层中也导电较强，故该通道在多层膜结构中始终保持较低电阻态，又整体电阻是两个通道电阻的并联，故而整体的电阻要比最低的电阻还小，故而整体电阻保持低电阻态。相对的，在磁化方向反向平行时，在之前层磁化方向导电较强的通道在后来的铁磁层中较弱，在之前层导电较弱的通道在后来的铁磁层中较强，故整体表现为较差的导电性即高电阻态。
磁性结(Magnetic Junction，MJ)包括：磁性隧道结和自旋阀；其可以用于逻辑电路或磁性随机存储器中。
磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)具有高速度，低功耗，非易失性的优点，吸引着科研人员，企业研发部门的关注。在磁性随机存储器中，其中的磁性存储单元为磁性结，其存储数据是“0”还是“1”取决于磁性结的电阻态，该磁性结的电阻态由磁性结的两层铁磁层的相对磁化取向决定，其原理可以是GMR也可以是TMR，取决于其是自旋阀还是MTJ。磁性结的两层铁磁层中，一层是磁性自由层(Free Layer，FL)，一层是磁性固定层(Pinned Layer，PL)，磁性自由层的磁化方向可以通过外加磁场改变，而磁性固定层的磁化方向保持不变，以此实现平行态和反平行态之间的转换，即低阻态和高阻态之间的转换，完成存储数据的写入。磁性结存储状态的读取可以通过向磁性结通入较小的电流获取其电阻值进而判断其处于高阻态还是低阻态，确定其存储数据。
传统的磁性随机存储器采用磁场进行翻转，每一个存储单元需要有独立的一个局域磁场；想要不受到近邻其他单元的磁场影响，需要存储单元之间具有较大的间距，限制了磁性结阵列的密度，即会降低存储容量。另外，磁场由电流产生，要产生足够使磁性自由层翻转的磁场，需要很大的电流密度，能耗较高，同时也会降低磁性结阵列的排列密度。
目前的一种MRAM是自旋转移矩-磁性随机存储器(Spin Transfer Torque-MRAM，STT-MRAM)，其利用自旋极化电流产生的自旋转移矩对磁化矢量的作用，实现对磁性自由层磁化方向的改变，通过改变电流的方向能够改变自旋转移矩的作用方向，进而实现平行和反平行之间的双向翻转，从而完成STT-MRAM中MJ的数据写入。STT-MRAM相较传统的MRAM解决了磁场的非局域性影响，提升了存储密度。但是，由于翻转磁性自由层所需要的自旋极化流较大，换算成输入电流密度为106到107A/cm2之间；较大的电流密度仍然限制着存储密度的进一步提升，同时还存在着能耗较高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁多层结构、磁性结器件和磁性随机存储装置及其辅助写入和直接读取方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明可通过电场辅助磁性自由层翻转，可减小磁性自由层翻转所需电流密度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种磁多层结构，用于电场辅助磁性自由层翻转，包括：一电致磁性层和一绝缘辅助层；所述电致磁性层和所述绝缘辅助层组成层叠结构；
所述绝缘辅助层中设置有若干微导电通道，所述微导电通道用于写入和读取电流的通过；
所述绝缘辅助层的磁化方向垂直于层平面或平行于层平面；
其中，在无电场时，所述电致磁性层处于顺磁状态；所述磁多层结构置于电场中，所述电致磁性层能够实现顺磁态和铁磁态的转变。
优选的，所述电致磁性层的材料为单质金属或合金；
所述单质金属为Mg、Al、Ti、V、Cr、Cu、Y、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Os、Pt或Au；
所述合金的组成元素为Mg、Al、Ti、V、Cr、Cu、Y、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Os、Pt和Au中的多种；
所述电致磁性层的厚度为0.1nm～10nm。
优选的，所述绝缘辅助层的材料为绝缘铁磁材料、绝缘亚铁磁材料或绝缘反铁磁材料。
优选的，所述微导电通道的材料为导电金属及其合金、导电化合物、掺杂半导体材料或导电碳系材料。
优选的，所述微导电通道的形成方式包括：
将所述微导电通道的材料与所述绝缘辅助层的材料在液态无限互溶，在室温下呈固态且两者有限互溶或不互溶，冷却后结晶析出导电相，导电相相连形成微导电通道；
或者，通过刻蚀手段在所述绝缘辅助层中形成通道；在所述通道内沉积所述微导电通道的材料，形成所述绝缘辅助层中的所述微导电通道。
优选的，用于控制所述电致磁性层的磁性变化的电场的压降在0.1V～20V之间。
一种磁性结器件，包括：磁性结和本发明上述的任一种磁多层结构；
所述磁性结包括：一磁性固定层、一磁性自由层和一非磁性间隔层；所述磁性固定层、所述非磁性间隔层和所述磁性自由层组成层叠结构，所述非磁性间隔层位于所述磁性固定层和所述磁性自由层之间；
所述磁性自由层的磁化方向可变，所述磁性固定层的磁化方向不变；所述磁性自由层和磁性固定层的磁化方向均垂直于层平面或平行于层平面；
所述电致磁性层位于所述绝缘辅助层和所述磁性自由层之间；
所述磁性结和所述磁多层结构组成磁性固定层-非磁性间隔层-磁性自由层-电致磁性层-绝缘辅助层的层叠结构。
一种磁性随机存储装置，包括：第一电流电极、第二电流电极、上电极板、上绝缘层和本发明上述的磁性结器件，组成上电极板-上绝缘层-第一电流电极-磁性结器件-第二电流电极的层叠结构；其中，所述第一电流电极与所述磁性固定层接触，所述第二电流电极与所述绝缘辅助层接触；
所述上电极板用于与控制线相连接供给电源产生电场，电致磁性层在所述电场作用下能够实现顺磁态到铁磁态的转变；
所述第一电流电极用于与位线相连接；所述第二电流电极用于通过晶体管与字线和源线相连接；所述第一电流电极和所述第二电流电极用于通入写入和读取电流。
进一步地，还包括：下电极板和下绝缘层；
组成上电极板-上绝缘层-第一电流电极-磁性结器件-第二电流电极-下绝缘层-下电极板的层叠结构；
所述下电极板和所述第二电流电极均用于通过晶体管与字线和源线相连接。
一种辅助写入和直接读取方法，用于本发明上述的磁性随机存储装置的辅助写入，上电极板与控制线相连接；第一电流电极与位线相连接；第二电流电极通过晶体管与字线和源线相连接；
包括以下步骤：
在写入时，字线用于控制晶体管的开关，定位写入单元位置；位线和源线用于提供写入电流并控制其方向；在电流通过第一电流电极和第二电流电极穿过磁性结的同时，控制线为上电极板提供电压，在上电极板和第二电流电极间产生电场，使得电场和电流同时控制磁性自由层的翻转，实现数据的写入；
在读取时，字线导通，使位线和源线接通，控制线无信号；通过GMR或者TMR效应获取磁性结的电阻态，实现磁性自由层磁化状态的读取。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的磁多层结构，由电致磁性层和绝缘辅助层组成，所述结构在电场作用下与铁磁层，反铁磁层或者亚铁磁层相接时可偏转其磁化方向。其中，在无电场时电致磁性层处于顺磁状态，与绝缘辅助层没有或者有较弱耦合作用，将磁多层结构置于电场中，电致磁性层实现顺磁态和铁磁态的转变，与绝缘辅助层的局域磁矩产生强烈交换耦合作用。本发明在绝缘辅助层中设置有微导电通道。采用具有微导电通道的绝缘辅助层作为磁多层结构的钉扎层，相比于其他磁多层结构采用的铁磁，反铁磁或者亚铁磁金属作为钉扎层，我们的方案既通过使用绝缘层降低金属对电场的屏蔽作用，进而降低对电场大小和钉扎层厚度的需求，为提高器件工作稳定性和器件集成度提供有效支持；同时又可保证写入和读取电流能通过微导电通道通过绝缘辅助层，使磁多层膜结构能有效地集成到大部分器件中。
进一步地，电致磁性层的料厚度在0.1nm-10nm之间，小于0.1nm为小于一个原子层厚度，一方面效应不均匀且较小，另一方面该厚度在工业上制备性价比很低，大于10nm时，考虑金属的屏蔽作用，要想在其上加上电场使其发生电致磁性转变所需电场太大，难以实现。
进一步地，将电场的压降设置为0.1V～20V范围，既便于工业实现，又可保证产生效应。
本发明的磁性结器件，包括本发明的磁多层结构和磁性结，利用本发明的磁多层结构辅助磁性结的磁性自由层翻转。具体的，本发明中，利用辅助翻转的磁多层结构与磁性结组合形成磁性结器件，形成“绝缘辅助层-电致磁性层-磁性自由层-非磁性间隔层-磁性固定层”的堆叠结构，用于辅助翻转的磁多层结构中的电致磁性层在电场调控下实现顺磁态到铁磁态的转变；当电致磁性层处于顺磁态时能与绝缘辅助层和磁性自由层同时产生交换耦合，使磁性自由层磁化方向产生一定偏角，同时施加较小电流即可使磁性自由层完全翻转。也就是利用电场作用于电致磁性层，辅助磁性自由层翻转，从而减小翻转磁性自由层所需电流密度的作用。这样做的好处是：①相比于当下的磁性结，本发明的磁性结器件具有较小的翻转电流，可降低磁性结在磁性隧道结情况下势垒被击穿的概率，能够提高器件的寿命；②较小的翻转电流可降低器件能耗，减少器件发热，可进一步提高器件的排列密度；③本发明不引入额外热源，可保护磁性结存储性能不因为受热而降低；④本发明结构简单，只需在磁性结上增加两层结构即可降低磁性结翻转电流，工艺上便于实现。⑤本发明磁性结器件采用绝缘辅助层与电致磁性层产生交换作用，降低了常用的金属对电场的屏蔽作用，进而降低对电场大小和钉扎层厚度的需求，为提高器件工作稳定性和器件集成度提供有效支持；同时绝缘辅助层内的微导电通道又可保证写入和读取电流能通过绝缘辅助层，使磁多层膜结构能有效地集成到大部分器件中。综上，本发明能够进一步开拓自旋电子器件的应用空间，推动新型存储器行业的进一步发展。
本发明的磁性随机存储装置，包括本发明的磁性结器件和电极；形成“电场电极-绝缘层-电流电极-绝缘辅助层-电致磁性层-磁性自由层-非磁性间隔层-磁性固定层-电流电极-绝缘层-电场电极”或者“电场电流共用电极-绝缘辅助层-电致磁性层-磁性自由层-非磁性间隔层-磁性固定层-电流电极-绝缘层-电场电极”的堆叠结构，将施加电流的一对电极和施加电场的一对电极两者的其中一个电极分开，另一个电极可以共用也可以分别独立。这样做的好处是：①采用电场电极和电流电极的分开的设计，可以分别控制所加电流或/和电场大小，因为器件的写入电流和辅助电场所需的电流大小不一定在一个数量级，分成两个电极提高了器件工作的范围和可靠性。②相比于当下的磁随机存储器，本发明具有较小的翻转电流，可降低磁性结在磁性隧道结情况下势垒被击穿的概率，能够提高磁随机存储器的寿命；③较小的翻转电流可降低磁随机存储器能耗，减少发热，可进一步提高磁随机存储器的排列密度；④本发明不引入额外热源，可保护磁性结存储性能不因为受热而降低；⑤本发明结构简单，除了必要的电极，只需在磁性结上增加两层结构即可降低磁性结翻转电流，工艺上便于实现。⑥本发明采用绝缘辅助层与电致磁性层产生交换作用，而非传统中使用的金属，这种做法一方面避免了金属对电场的屏蔽作用，进而降低电致磁性层磁性变化对电场大小和钉扎层厚度的需求，为提高器件工作稳定性和器件集成度提供有效支持；同时绝缘辅助层内的微导电通道又可保证写入和读取电流能通过绝缘辅助层，保证写入过程的正常进行。
本发明的辅助写入和直接读取方法，用于本发明的随机存储装置，通过控制线，位线，源线和字线实现对磁随机存储装置的辅助写入和直接读取。具体的，通过控制线和位线分别控制电场和电流大小，源线作为电场和电流的共用端，字线用于统一控制电场和电流对要写入或读取的存储阵列中的磁随机存储器进行定位。这样做的好处是：①仅增加一条后段制程的平行布线(控制线)即可实现对电场大小的单独调控。②字线对电场和电流的统一控制降低了分别控制两者时为了保证时延精确度时需要额外加入的器件，降低了工艺复杂度。③所述的控制线、源线、位线配合电场电极和电流电极的分开的设计，可以分别控制所加电流或/和电场大小，因为器件的写入电流和辅助电场所需的电流大小不一定在一个数量级，分成两个通路提高了器件工作的范围和可靠性。②相比于当下的磁随机存储器，本发明具有较小的翻转电流，可降低磁性结在磁性隧道结情况下势垒被击穿的概率，能够提高磁随机存储器的寿命；③较小的翻转电流可降低磁随机存储器能耗，减少发热，可进一步提高磁随机存储器的排列密度；④本发明不引入额外热源，可保护磁性结存储性能不因为受热而降低；⑤本发明结构简单，除了必要的电极，只需在磁性结上增加两层结构即可降低磁性结翻转电流，工艺上便于实现。⑥本发明采用绝缘辅助层与电致磁性层产生交换作用，而非传统中使用的金属，这种做法一方面避免了金属对电场的屏蔽作用，进而降低电致磁性层磁性变化对电场大小和钉扎层厚度的需求，为提高器件工作稳定性和器件集成度提供有效支持；同时绝缘辅助层内的微导电通道又可保证写入和读取电流能通过绝缘辅助层，保证写入过程的正常进行。
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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；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说，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为本发明实施例的一种磁化方向平行于层平面的电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的示意图；图1(a)为加电场前的示意图；图1(b)为加电场时的示意图；
图2为本发明实施例的一种磁化方向垂直于层平面的电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的示意图；图2(a)为加电场前的示意图；图2(b)为加电场时的示意图；
图3为本发明实施例的一种磁化方向垂直于层平面的磁性结的结构示意图；
图4为本发明实施例的一种磁化方向平行于层平面的磁性结的结构示意图；
图5为本发明实施例的一种磁化方向垂直于层平面的磁性结与电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构结合的电场辅助磁性自由层翻转的磁性结器件示意图；
图6为本发明实施例的一种磁化方向平行于层平面的磁性结与电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构结合的电场辅助磁性自由层翻转的磁性结器件示意图；
图7为本发明实施例的一种电场辅助磁性自由层翻转的磁性结器件中，在电场作用下电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构辅助磁性自由层翻转的示意图；
图8为本发明实施例的一种电场辅助磁性自由层翻转的磁性结器件中，在电场辅助作用下，通一种方向电流实现磁性自由层翻转完成数据写入的示意图；图8(a)为通第一种方向电流的示意图；图8(b)为通第二种方向电流的示意图；
图9为本发明实施例的一种电场辅助磁性自由层翻转的磁性结器件中，在无电场下，通一种方向电流实现磁性自由层数据读取的示意图；图9(a)为通一种方向电流实现磁性自由层一种磁化方向读取的示意图；图9(b)为通一种方向电流实现磁性自由层另一种磁化方向读取的示意图；
图10为本发明实施例的一种电场辅助磁性自由层翻转的磁性随机存储装置的示意图；
图11为本发明实施例的另一种电场辅助磁性自由层翻转的磁性随机存储装置的示意图；
图1至图11中，1、电极板；2、绝缘层；31、电致磁性层；32、绝缘辅助层；33、磁性固定层；34、非磁性间隔层；35、磁性自由层；36、第一电流电极；37、第二电流电极；38、微导电通道；39、晶体管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明实施例的一种电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构，包括：一层电致磁性层31和一层绝缘辅助层32，二者组成层叠结构；绝缘辅助层32中设置有微导电通道38；
在无电场时，电致磁性层31处于顺磁状态，电致磁性层31与绝缘辅助层32没有或者有较弱耦合作用；
将上述多层膜结构置于电场中，电致磁性层31实现顺磁态和铁磁态的转变，电致磁性层31与绝缘辅助层32的局域磁矩产生强烈交换耦合作用。
绝缘辅助层32的磁化方向垂直于层平面或平行于层平面。
请参阅图1和图2，图1(a)和图1(b)展示出根据本发明公开的一种可以通过电场调控的电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构，图1(a)、图1(b)和本发明的任何其它附图未按比例画出。本发明实施例的一种可以通过电场调控的电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构，由一个电致磁性层31和一个绝缘辅助层32，及绝缘辅助层32中的微导电通道38构成，绝缘辅助层32为电致磁性层31提供交换耦合作用，该电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的绝缘辅助层32的磁化方向平行于层平面。加电场前，如图1(a)所示，电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的电致磁性层31处于顺磁状态。加电场时，如图1(b)所示，电致磁性层31由顺磁状态转变为铁磁状态，其磁化方向在绝缘辅助层32的交换耦合作用下，呈现平行于层平面的磁化方向。绝缘辅助层32为绝缘材料组成，目的在于减少金属材料对电场的屏蔽作用，绝缘辅助层32中的微导电通道38的作用在于使其写入和读取电流能通过微导电通道38进入磁性结，具体写入和读取电流的电极将在后文给出。图中E表示电场，箭头表示电场方向，电场由电极板1装置产生，具体装置和介绍将在后文给出；电场强度大小为0.1V-20V。另外，绝缘辅助层32和电场作用下电致磁性层31的磁化方向也可以是垂直于层平面，如图2(a)和图2(b)所示。
优选的，电致磁性层31的材料包括金属及其合金；金属或合金的组成元素选自但不局限于Mg、Al、Ti、V、Cr、Cu、Y、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Os、Pt、Au中的一种或组合；且材料厚度在0.1nm-10nm之间，小于0.1nm即小于一个原子层厚度，一方面效应不均匀且较小，另一方面该厚度在工业上制备性价比很低，大于10nm时，考虑金属的屏蔽作用，要想在其上加上电场使其发生电致磁性转变所需电场太大，难以实现。
优选的，绝缘辅助层32由绝缘铁磁材料组成。绝缘铁磁材料选自但不限于Fe,Co,Ni的部分氧化物，如CrO2；或部分4d过渡族元素的化合物，如SrRuO3；或者，绝缘辅助层32由绝缘亚铁磁材料组成。绝缘亚铁磁材料选自但不限于尖晶石型铁氧体MO·Fe2O3(M＝Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn等)，六方铅酸盐型氧化物MO·6Fe2O3(M＝Ba,Sr,Pb)，或稀土铁石榴石3R2O3·5Fe2O3(R＝Y,稀土元素)；或者，绝缘辅助层32由绝缘反铁磁材料组成。绝缘反铁磁材料选自但不限于岩盐结构MO(M＝Mn,Fe,Co,Ni)，或部分金属氮化物(金属选自但不限于Sc,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni等)，或钙钛矿结构ABO3(A＝La,Ba,Ca,Sr中的一种或多种组合，B＝Fe,Mn,Co)。
优选的，绝缘辅助层32中的微导电通道38由导电金属或其合金构成，可选的金属或合金元素选自但不局限于Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Ti、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或组合；或者，绝缘辅助层32中的微导电通道38由导电化合物组成，选自但不限于TiN，ZnO，GaO2等；或者，绝缘辅助层32中的微导电通道38为掺杂半导体材料，选自但不限于p/n掺杂的Si，Ge等；或者，绝缘辅助层32中的微导电通道38为导电碳系材料，选自但不局限于竹炭、石墨、石墨烯、碳纳米管。
优选的，微导电通道38的形成方式包括，利用微导电通道38的材料与绝缘辅助层32的材料在液态无限互溶，在室温下呈固态且两者有限互溶或不互溶，冷却后结晶析出导电相，导电相相连形成微导电通道38；或者，微导电通道38的形成方式包括，利用常见沉积手段，如溅射，蒸镀，激光镀膜，化学气相沉积等，沉积一层绝缘耦合层，随后利用掩膜光刻搭配IBE、RIE、ICP等刻蚀手段，刻蚀出微导电通道38，并利用掩膜光刻搭配常见沉积手段生长微导电通道38的材料，以此形成绝缘层2中有微导电通道38的结构。
优选的，控制电致磁性层31磁性变化的电场的压降在0.1V-20V之间。
请参阅图3至图9，本发明实施例的一种基于电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的磁性结器件，包括一个电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构和一个磁性结，组成层叠结构。
磁性结由一个磁性固定层33、一个磁性自由层35和一个非磁性间隔层34构成，组成层叠结构；非磁性间隔层34位于磁性固定层33和磁性自由层35之间。磁性结的磁性固定层33和磁性自由层35以及电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的电致磁性层31和绝缘辅助层32中的微导电通道38是导电的。采用不同材料制成的磁性结的磁性固定层33、磁性自由层35是铁磁性的，非磁性间隔层34是非磁性的，电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的绝缘辅助层32是磁性的。磁性结的磁性固定层33和磁性自由层35的磁化方向垂直于层平面，或磁性固定层33和磁性自由层35的磁化方向平行于层平面。电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的绝缘辅助层32的磁化方向垂直于层平面或绝缘辅助层32的磁化方向平行于层平面。也就是，磁性自由层35和磁性固定层33的磁化方向垂直于层平面或平行于层平面。电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的电致磁性层31位于绝缘辅助层32和磁性结的磁性自由层35之间。
本发明的磁性结器件包括一个由电致磁性层31和绝缘辅助层32组成的电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构，该装置还包括一个磁性结，在电场调控下，电致磁性层31由顺磁态转变为铁磁态，利用电致磁性层31铁磁态同时与绝缘辅助层32和磁性结的磁性自由层35间的交换耦合作用辅助磁性自由层35翻转，从而实现减小磁性自由层翻转所需要电流密度的目的。
本发明的装置通过电场作用控制辅助翻转结构中的电致磁性层在顺磁态和铁磁态间转变，相较于传统自旋转移矩-磁随机存储装置具有速度快，功耗低的优点，相较于热辅助手段具有发热低，器件性能稳定的优点，相较于应力辅助手段具有器件性能和阵列结构稳定的优点。相较于其他电场辅助翻转装置，本发明的装置采用具有微导电通道的绝缘辅助层作为辅助翻转结构的钉扎层，既可降低金属对电场的屏蔽作用，降低对电场大小和钉扎层厚度的需求，同时又可保证写入和读取电流能通过微导电通道。辅助翻转结构即为本发明所述的磁多层结构。
请参阅图3和图4，图3展示出磁化方向垂直于层平面的磁性结的结构示意图，该磁性结包括一个磁性固定层33和一个磁性自由层35，以及位于磁性固定层33和磁性自由层35之间的一个非磁性间隔层34。磁性自由层35的磁化方向比磁性固定层33的磁化方向更易发生翻转，即在磁场或者电流的作用下，磁性自由层35的磁化方向发生翻转，而磁性固定层33的磁化方向保持不变。磁性结的电阻由磁性自由层35和磁性固定层33的相对磁化方向决定，当磁性自由层35磁化方向与磁性固定层33的磁化方向处于同向平行状态时，磁性结处于低阻态；当磁性自由层35的磁化方向与磁性固定层33的磁化方向处于反平行状态时，磁性结处于高阻态。图3所展示的磁性结，称为垂直各向异性的磁性结，其磁性固定层33和磁性自由层35的磁化方向垂直于层面。图4展示了另外一种磁性结，称为面内各向异性的磁性结，其磁性固定层33和磁性自由层35的磁化方向平行于层平面。
请参阅图5和图6，本发明实施例的一种磁性结器件，由一种垂直各向异性的磁性结与一种磁化方向平行于层平面的电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构共同组成一种基于电场辅助磁性自由层翻转的磁性结器件。与磁性结不同的是，磁性结器件还包括一个电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构，电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的电致磁性层31位于磁性结的磁性自由层35和绝缘辅助层32之间；电致磁性层31在电场的调控下可以实现顺磁态到铁磁态的转变，当电致磁性层31处于铁磁态时，与绝缘辅助层32产生强交换耦合作用，辅助磁性自由层35的翻转。另外，面内各向异性的磁性结与磁化方向垂直于层平面的电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构也可以共同组成另一种面内磁各向异性的磁性结器件。
请参阅图7至图9，在电场作用下，电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构辅助磁性自由层偏转的磁性结器件示意图。在电场作用下，电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构由顺磁态转变为铁磁态，与电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的绝缘辅助层32和磁性结的磁性自由层35产生交换耦合作用，使磁性自由层35的磁化方向发生一定角度的偏转，但是仅施加电场，无法使磁性自由层35完全翻转，即无法完成数据写入。要完成数据的写入，如图8(a)、图8(b)所示，需要在施加电场的同时，通入电流穿过磁性结使磁性自由层35完全翻转；即电场与电流的共同作用使磁性自由层35翻转，完成数据写入。具体的，电流I1通过电极由磁性固定层33到磁性自由层35的方向穿过磁性结，导致磁性自由层35的磁化方向与磁性固定层33的磁化方向相同，写入数据状态“1”。电流I1通过电极由磁性自由层35到磁性固定层33的方向穿过磁性结，导致磁性自由层35的磁化方向与磁性固定层33的磁化方向相反，写入数据状态“0”。撤掉电场后电致磁性层31退回顺磁态，且磁性自由层35的磁化方向保持写入后的方向。图9(a)、图9(b)展示出对磁性结器件的数据读取的示意图，在无电场作用下，往磁性结器件中通入读取电流I2，读取电流I2幅值小于写入电流I1，读取电流I2的方向既可从磁性固定层33到磁性自由层35也可以从磁性自由层35到磁性固定层33。在读取电流I2作用下，通过磁性结的巨磁阻效应(GMR)或者隧穿磁阻效应(TMR)，当前的数据状态即磁性自由层35的磁化方向以不同电阻态形式被获取，完成数据的读取。
优选的，磁性自由层35和磁性固定层33由铁磁性或亚铁磁性金属或其合金构成，选自但不局限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb等材料，及上述材料与B、V、W、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或组合。
优选的，磁性自由层35和磁性固定层33由合成铁磁性或亚铁磁性材料构成，选自但不局限于两种或两种以上最外层为3d/4d/4f/5d/5f的过渡元素层叠而成的人工合成多层结构，例如Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co中的一种或组。
优选的，磁性结的磁性自由层35和磁性固定层33由半金属铁磁材料构成，半金属铁磁材料包括化学式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X，Y元素选自但不局限于过渡元素的一种或组合，Z元素选自但不局限于p区元素中的一种或组合。
优选的，磁性自由层35和磁性固定层33由合成反铁磁材料构成，该材料由铁磁层与间隔层组成，铁磁层材料选自但不局限于Fe、Co、Ni及这些元素与Mn,Sc,V,Cr,B形成的二元或三元合金；构成间隔层材料的元素选自但不局限于Pt、Cu、Ag、Au、Cr、W、Re、Ru、Mo、Os、Rh、Ir、Nb、Ta中的一种或组合。
优选的，非磁性间隔层34为氧化物、氮化物或氮氧化物，其化合组分选自但不局限于Mg、Al、Ca、Cd、Ga、Sc、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si、B、Eu。
优选的，非磁性间隔层34为非磁性金属或合金，其组成元素选自但不局限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo、V。
优选的，非磁性间隔层34为碳系材料，SiC或陶瓷材料。
本发明实施例的一种基于本发明磁性结器件的磁性随机存储装置，包括：一个电场辅助磁性自由层翻转的磁性结器件，以及位于磁性结器件两侧的两个电流电极；具体的，第一电流电极36位于磁性结的磁性固定层33一侧，第二电流电极37位于电场辅助磁性自由层35翻转的磁多层结构的绝缘辅助层32一侧；两个电流电极用于向器件中通入写入和读取电流。
磁性随机存储装置还包括一个位于第一电流电极36一侧的用于构建器件内电场的电极板1，以及电极板1与第一电流电极36之间的绝缘层2；电极板1与第二电流电极37在激励作用下产生可控电场，电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的电致磁性层31在所述电场作用下实现顺磁态到铁磁态的转变。
请参阅图10，图10展示由磁性结器件、第一电流电极36、第二电流电极37和一个电场产生双层结构(包括电极板1和绝缘层2)组成的磁性随机存储装置，该装置包括一个所述电场辅助磁性自由层35翻转的磁性结器件；还包括在磁性结器件两端设有的一对为器件提供写入和读取电流的电流电极。其中，第二电流电极37与绝缘辅助层32接触，绝缘辅助层32通过微导电通道38导通，第一电流电极36与磁性固定层33电接触，两个电流电极与控制电路连接，为磁性结提供读取或者写入电流。
还包括在第一电流电极36一端设有的一个电场产生双层结构，即一层电极板1和一层绝缘层2，绝缘层2位于上述电极板1和第一电流电极36之间，电极板1通过控制线Control Line供给电源产生电场，电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的电致磁性层31在所述电场作用下实现顺磁态到铁磁态的转变。
磁性随机存储装置可以在电场辅助下，实现磁性自由层35的低电流翻转。具体实现方式如下，电极板1与控制线(Control Line)连接，第一电流电极36与位线(Bit Line)连接，第二电流电极37通过晶体管39与字线(Word Line)以及源线(Source Line)连接。在写入时，字线用于控制晶体管39的开关，定位写入单元位置，位线和源线用于提供写入电流并控制其方向，在电流通过第一电流电极36和第二电流电极37穿过磁性结的同时，控制线为电极板1提供电压，在电极板1和第二电流电极37间产生电场，使得电场和电流同时控制磁性自由层35的翻转，实现数据的写入，同时达到减小写入电流的目的，减小功耗。在读取时，字线导通，使位线和源线接通，两者间通入较小电流，同时控制线无信号，形成器件内小电流无电场情况，通过GMR或者TMR效应获取磁性结的电阻态，实现磁性自由层磁化状态的读取。
本发明实施例的另一种基于本发明磁性结器件的磁性随机存储装置，包括一个电场辅助磁性自由层翻转的磁性结器件，以及位于磁性结器件两侧的两个电流电极；具体的，第一电流电极36位于磁性结的磁性固定层33一侧，第二电流电极37位于电场辅助磁性自由层35翻转的磁多层结构的绝缘辅助层32一侧，两个电流电极用于向器件中通入写入和读取电流。
磁性随机存储装置还包括一对位于两个电流电极两侧的用于构建器件内电场的电极板1，以及电极板1与电流电极之间的绝缘层2；一对电极板1在激励作用下产生可控电场，电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构的电致磁性层31在所述电场作用下实现顺磁态到铁磁态的转变。
请参阅图11，图11展示另一种随机存储装置的实施例，所述实施例由磁性结器件、第一电流电极36、第二电流电极37和两个电场产生双层结构(包括电极板1和绝缘层2)组成。
还包括在磁性结器件两端设有的一对为器件提供写入和读取电流的第一电流电极36和第二电流电极37。其中，第二电流电极37与绝缘辅助层32接触，导电铁磁层或导电亚铁磁层或导电反铁磁层直接导通，绝缘辅助层32通过微导电通道38导通，第一电流电极36与磁性固定层33电接触，两个电流电极与控制电路连接，为磁性结提供读取或者写入电流；还包括在第一电流电极36和第二电流电极37两端设有的一对电场产生双层结构；电场产生双层结构包括一层电极板1和一层绝缘层2，绝缘层2位于所述两块电极板1和第一电流电极36、第二电流电极37之间，电极板1通过控制线Control Line供给电源产生电场，电场辅助磁性自由层35翻转的磁多层结构的电致磁性层31在所述电场作用下实现顺磁态到铁磁态的转变。
磁性随机存储装置可以在电场辅助下，实现磁性自由层35的低电流翻转。一个电极板1与控制线(Control Line)连接，另一个电极板1通过晶体管39与字线(Word Line)和源线(Source Line)连接。第一电流电极36与位线(Bit Line)连接，第二电流电极37通过晶体管39与字线(Word Line)以及源线(Source Line)连接。在写入时，字线用于控制晶体管39的开关，定位写入单元位置，位线和源线用于提供写入电流并控制其方向，在电流通过第一电流电极36、第二电流电极37穿过磁性结的同时，控制线和源线为两个电极板1提供电压，产生电场，使得电场和电流同时控制磁性自由层35的翻转，实现数据的写入，同时达到减小写入电流的目的，减小功耗。在读取时，字线导通，使位线和源线接通，两者间通入较小电流，同时控制线无信号，形成器件内小电流无电场情况，通过GMR或者TMR效应获取磁性结的电阻态，实现磁性自由层35磁化状态的读取。
优选的，第一电流电极36、第二电流电极37和电极板1为金属或合金，组分选自但不局限于Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Ti、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或组合。
优选的，电流电极和电极板1材料为导电化合物，选自但不限于TiN，ZnO，GaO2等。
优选的，电流电极和电极板1材料为掺杂半导体材料，选自但不限于p/n掺杂的Si，Ge等。
优选的，电流电极和电极板1材料为导电碳系材料，选自但不局限于竹炭、石墨、石墨烯、碳纳米管。
本发明的工作原理及产生的优点：
本发明中，将用于辅助翻转的磁多层结构与磁性结组合，形成磁性随机存储装置，具体为“绝缘辅助层-电致磁性层-磁性自由层-非磁性间隔层-磁性固定层”的堆叠结构；磁多层结构中的电致磁性层在电场调控下可实现顺磁态到铁磁态的转变，当电致磁性层处于铁磁态时能与绝缘辅助层和磁性自由层同时产生交换耦合，使磁性自由层磁化方向产生一定偏角，施加较小电流即可使磁性自由层完全翻转，也就是利用电场作用于电致磁性层，辅助磁性自由层翻转，从而减小磁性自由层的翻转电流。
目前的技术包括，Jianxin Zhu提出了一种应力辅助磁性自由层翻转的自旋转移矩-磁性随机存储器(专利号为US 8.406,042 B2)，能降低写入电流，但因为需要额外的应力的作用，使其存在器件结构不稳定，性能漂移的问题，同时通过压电晶体调控应力需要很大的电场，而在集成电路中因集成度和线路承载力所限难以供给如此大的电压；Jian-GangZhu提出了一种热辅助磁性自由层翻转的专利(专利号为US 8,211,557 B2)，但该设计不仅不能解决当下小尺寸器件发热严重导致性能下降的散热问题，又引入了额外热源，进一步加剧了这个现象，同时磁性结的稳定性受到温度的强烈影响，在高温下，磁性结因温度强化的热扰动作用将越过分隔两个存储态的势垒，在两个态间跳变，影响数据写入，另一方面，阵列中不同单元的写入因为热的传递作用也会互相影响，使存储数据难以保持稳定。
本发明的自旋转移矩磁性随机存储装置，包括本发明的磁多层结构和磁性结；在电场调控下，其中的电致磁性层由顺磁态转变为铁磁态，利用电致磁性层铁磁态同时与绝缘辅助层和磁性结的磁性自由层间的交换耦合作用辅助磁性自由层翻转，从而实现减小磁性自由层翻转所需要电流密度的目的。因此，本发明的自旋转移矩-磁性随机存储装置又叫做电场辅助磁性自由层翻转的磁性随机存储装置。本发明的装置通过电场作用控制辅助翻转结构中的电致磁性层在顺磁态和铁磁态间转变，相较于传统自旋转移矩-磁随机存储装置具有速度快，功耗低的优点，相较于热辅助手段具有发热低，器件性能稳定的优点，相较于应力辅助手段具有器件性能和阵列结构稳定的优点；同时其辅助结构简单，易结合到当下磁随机存储和半导体工艺中，相较于其他电场辅助翻转装置，本装置采用具有微导电通道的绝缘辅助层作为辅助翻转结构的钉扎层，既降低了金属对电场的屏蔽作用，降低了对电场大小和钉扎层厚度的需求，同时保证了写入和读取电流能利用微导电通道通过装置。
综上所述，本发明公开了一种磁性结器件及其磁性随机存储装置，包括一种电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构，其包含一种电致磁性层及一种绝缘辅助层，所述电致磁性层可以在电场调控下，实现顺磁态到铁磁态的转变，并与绝缘辅助层共同作用，偏转磁性自由层磁化方向，降低磁性自由层的翻转难度。磁性随机存储装置还包含一种磁性结，在电场作用下，上述多层膜结构辅助磁性结的磁性自由层偏转，在通入电流的共同作用下完成磁性翻转。在磁性自由层成功翻转后，关闭电场和电流，电致磁性层从铁磁态退回顺磁态，磁性自由层保持翻转后的状态，完成数据的写入。电场辅助磁性自由层翻转的磁多层结构和磁性结共同构成磁性结器件，并与产生电场的电极板和通入电流的电极共同组成磁随机存储装置，通过电场和电流的共同作用实现高速，低功耗的数据写入，同时兼具数据非易失的优点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁多层结构，其特征在于，用于电场辅助磁性自由层翻转，包括：一电致磁性层(31)和一绝缘辅助层(32)；所述电致磁性层(31)和所述绝缘辅助层(32)组成层叠结构；
所述绝缘辅助层(32)中设置有若干微导电通道(38)，所述微导电通道(38)用于写入和读取电流的通过；
所述绝缘辅助层(32)的磁化方向垂直于层平面或平行于层平面；
其中，在无电场时，所述电致磁性层(31)处于顺磁状态；所述磁多层结构置于电场中，所述电致磁性层(31)能够实现顺磁态和铁磁态的转变；
所述电致磁性层(31)的材料为单质金属或合金；
所述单质金属为Mg、Al、Ti、V、Cr、Cu、Y、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Os、Pt或Au；
所述合金的组成元素为Mg、Al、Ti、V、Cr、Cu、Y、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Os、Pt和Au中的多种；
所述电致磁性层(31)的厚度为0.1nm～10nm；
所述绝缘辅助层(32)的材料为绝缘铁磁材料、绝缘亚铁磁材料或绝缘反铁磁材料。
2.根据权利要求1所述的一种磁多层结构，其特征在于，所述微导电通道(38)的材料为导电金属及其合金、导电化合物、掺杂半导体材料或导电碳系材料。
3.根据权利要求1所述的一种磁多层结构，其特征在于，所述微导电通道(38)的形成方式包括：
将所述微导电通道(38)的材料与所述绝缘辅助层(32)的材料在液态无限互溶，在室温下呈固态且两者有限互溶或不互溶，冷却后结晶析出导电相，导电相相连形成微导电通道(38)；
或者，通过刻蚀手段在所述绝缘辅助层(32)中形成通道；在所述通道内沉积所述微导电通道(38)的材料，形成所述绝缘辅助层(32)中的所述微导电通道(38)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种磁多层结构，其特征在于，用于控制所述电致磁性层(31)的磁性变化的电场的压降在0.1V～20V之间。
5.一种磁性结器件，其特征在于，包括：磁性结和权利要求1至4中任一项所述的磁多层结构；
所述磁性结包括：一磁性固定层(33)、一磁性自由层(35)和一非磁性间隔层(34)；所述磁性固定层(33)、所述非磁性间隔层(34)和所述磁性自由层(35)组成层叠结构，所述非磁性间隔层(34)位于所述磁性固定层(33)和所述磁性自由层(35)之间；
所述磁性自由层(35)的磁化方向可变，所述磁性固定层(33)的磁化方向不变；所述磁性自由层(35)和磁性固定层(33)的磁化方向均垂直于层平面或平行于层平面；
所述电致磁性层(31)位于所述绝缘辅助层(32)和所述磁性自由层(35)之间；
所述磁性结和所述磁多层结构组成磁性固定层(33)-非磁性间隔层(34)-磁性自由层(35)-电致磁性层(31)-绝缘辅助层(32)的层叠结构。
6.一种磁性随机存储装置，其特征在于，包括：第一电流电极(36)、第二电流电极(37)、上电极板、上绝缘层和权利要求5所述的磁性结器件，组成上电极板-上绝缘层-第一电流电极(36)-磁性结器件-第二电流电极(37)的层叠结构；其中，所述第一电流电极(36)与所述磁性固定层(33)接触，所述第二电流电极(37)与所述绝缘辅助层(32)接触；
所述上电极板用于与控制线相连接供给电源产生电场，电致磁性层(31)在所述电场作用下能够实现顺磁态到铁磁态的转变；
所述第一电流电极(36)用于与位线相连接；所述第二电流电极(37)用于通过晶体管(39)与字线和源线相连接；所述第一电流电极(36)和所述第二电流电极(37)用于通入写入和读取电流。
7.根据权利要求6所述的一种磁性随机存储装置，其特征在于，还包括：下电极板和下绝缘层；
组成上电极板-上绝缘层-第一电流电极(36)-磁性结器件-第二电流电极(37)-下绝缘层-下电极板的层叠结构；
所述下电极板和所述第二电流电极(37)均用于通过晶体管(39)与字线和源线相连接。
8.一种辅助写入和直接读取方法，其特征在于，用于权利要求6所述的磁性随机存储装置的辅助写入，上电极板与控制线相连接；第一电流电极(36)与位线相连接；第二电流电极(37)通过晶体管(39)与字线和源线相连接；
包括以下步骤：
在写入时，字线用于控制晶体管(39)的开关，定位写入单元位置；位线和源线用于提供写入电流并控制其方向；在电流通过第一电流电极(36)和第二电流电极(37)穿过磁性结的同时，控制线为上电极板提供电压，在上电极板和第二电流电极(37)间产生电场，使得电场和电流同时控制磁性自由层(35)的翻转，实现数据的写入；
在读取时，字线导通，使位线和源线接通，控制线无信号；通过GMR或者TMR效应获取磁性结的电阻态，实现磁性自由层(35)磁化状态的读取。
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