CN111403598A - 一种可编程化的纳米探针存储器、其制备和使用方法 - Google Patents

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CN111403598A CN202010053576.XA CN202010053576A CN111403598A CN 111403598 A CN111403598 A CN 111403598A CN 202010053576 A CN202010053576 A CN 202010053576A CN 111403598 A CN111403598 A CN 111403598A
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Abstract

本发明属于亚10纳米尺寸范围内信息处理和存储领域，更具体地，涉及一种可编程化的纳米探针存储器、其制备和使用方法。其包括基于STT效应的磁性隧道结的核心结构；本发明的存储器其存储单元包括纳米尺寸的探针端和介质端，所述第一磁性层/隧穿绝缘层/第二磁性层构成的三层膜结构分布在所述探针端和/或介质端中，形成半磁性隧道结探针结构或一体化全磁性隧道结探针结构；该存储器单元工作时，所述探针端和介质端发生接触并形成通路，以进行读写操作。该存储器集NEMS和自旋电子技术优点于一身，且证明了放置在NEMS元件上的纳米器件可以作为高度可伸缩、非易失性和鲁棒控制的存储器。

Description

一种可编程化的纳米探针存储器、其制备和使用方法
技术领域
本发明属于亚10纳米尺寸范围内信息处理和存储领域，更具体地，涉及一种可编程化的纳米探针存储器、及其制备和使用方法。
背景技术
随着计算架构逐步发展为以数据为中心，以及内存计算等的兴起，内存的作用将变得越来越重要。除此之外，存储大量数据需要低功耗和较好的稳定性，目前的技术尚不能完全满足社会发展的需求，这就需要研究和开发新型存储技术。自旋电子器件，如磁隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)，是目前已知的具有足够高的耐久性的非易失性器件，它满足了最先进的信息和通信技术(ICT)系统中对非易失性和可循环工作存储器不断增长的需求。纳米机电系统(NEMS)技术是以机电结合为主要特征，基于纳米级结构新效应的器件和系统，可以拥有更高的密度和可编程控制性。
目前，由于对便携式电子设备的需求不断增长，闪存是增长最快的内存。迄今为止，随着每一项技术的进步，内存单元大小的减小一直是提高存储容量同时降低每比特成本的关键。然而，对于闪存技术来说，工作电压和隧穿介质层物是其尺寸缩小的基本限制，因此社会高速发展对亚10纳米节点的下一步尺寸缩减提出了重大挑战。人们提出了替代的系统和结构来克服传统闪存单元的尺寸障碍。可编程阻变器件，如相变存储器(PC-RAM)和电阻RAM(ReRAM)，已被用于存储器应用，但通常要求每个存储器单元内具备一个选择器，以减少在读取操作期间通过未选择的单元时的不必要的漏电流。因此，其阵列的大小将受到严重限制，导致内存阵列区域效率低下，存储密度较低。同时，选择器设备需要额外的处理步骤，虽然可以显著降低单元电流，但是也会导致读取操作变慢。
非易失性内存由于其稳定性、非易失性、强的抗辐射性能、高耐久性，高可擦除性以及较长的使用寿命而很有前途。下一代非易失性存储器有两种主要的潜在竞争技术，磁阻存储器和纳米机械存储器。每个竞争技术都有其优点和缺点。众所周知，磁阻器件具有优异的非易失性和可循环性，而纳米力学器件则具有优异的可扩展性和可编程操作性。
现有技术基于STT效应的MTJs存储器，其磁性隧道结(MTJs)的核心结构的三层膜设置于基底之上，仍面临着一些问题：比如，驱动磁矩翻转的临界电流密度较高，功耗较大，存储单元减小到一定尺寸时，磁阻比率会有所降低而导致器件的输出信号的信噪比降低。同时，架构复杂，密度满足不了存储需求，且误写率较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可编程化的纳米探针存储器、其制备和使用方法，其通过将NEMS(Nano-Electromechanical System,简称NEMS)和自旋电子技术结合，将基于STT效应的磁性隧道结的三层膜核心结构分布在探针端和/或介质端中，在极具垂直磁各向异性的磁性材料上进行的STT(Spin Transfer Torque，自旋转移力矩)电流翻转实验显示了非常有效的翻转控制能力，证明了放置在NEMS元件上的纳米器件可以作为高度可伸缩、非易失性和鲁棒控制的存储器，由此解决现行存储器翻转电流大、密度不足的技术问题，提升存储器的各项性能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种存储器单元，其包括基于STT效应的磁性隧道结的核心结构，该核心结构主要为由第一磁性层/隧穿绝缘层/第二磁性层构成的三层膜结构；
该存储器单元包括纳米尺寸的探针端和介质端，所述第一磁性层/隧穿绝缘层/第二磁性层构成的三层膜结构分布在所述探针端和/或介质端中，形成半磁性隧道结探针结构或一体化全磁性隧道结探针结构；
所述半磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层和隧穿绝缘层的一部分，所述半磁性隧道结探针结构的介质端包括隧穿绝缘层的另一部分和第二磁性层；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；
所述一体化全磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层、隧穿绝缘层和第二磁性层，所述一体化全磁性隧道结探针结构的介质端用作该隧道结探针结构的电极；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；
该存储器单元工作时，所述探针端和介质端发生接触并形成通路，以进行读写操作。
优选地，所述存储器单元中还设置有钉扎层，所述钉扎层用于钉扎所述第一磁性层或第二磁性层的磁化方向。
优选地，所述探针端包括探针基座和设置于探针基座上的第一磁性层和隧穿绝缘层；
所述探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，所述探针针尖区在水平方向上的一侧与所述探针把柄区接触，所述探针针尖区在竖直方向上的一个端面上设置有所述第一磁性层和隧穿绝缘层；其中所述探针针尖区的竖直方向即为所述探针针尖区的针尖所在的方向，且该针尖的尖端朝下；
所述探针针尖区在竖直方向上的截面形状为倒梯形，即该梯形中较长的底边位于上侧，较短的底边位于下侧，且所述第一磁性层和隧穿绝缘层设置于该梯形较短的底边的一侧。
优选地，所述探针把柄区包括托盘和悬梁臂。
优选地，所述倒梯形的底边尺寸为纳米尺寸。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的存储器单元的制备方法，包括探针端的制备，所述探针端的制备包括如下步骤：先制备好探针基座，然后在探针基座的一端沉积所述第一磁性层和隧穿绝缘层；所述探针基座的制备包括如下步骤：
(1)在原材料的顶部和底部分别制备保护膜，该保护膜为第一保护层材料，获得顶部和底部具有第一保护层的原材料；
(2)分别对顶部和底部的第一保护层上涂覆光刻胶，然后经过曝光、显影，在顶部和底部的第一保护层上获得不同的图形；
(3)根据步骤(2)在顶部和底部的第一保护层上获得的不同的图形，采用湿法刻蚀去除顶部和底部的部分第一保护层材料，裸露出部分原材料表面；
(4)去除光刻胶，然后采用湿法刻蚀除去一定厚度的原材料，通过外观检查步骤，确定刻蚀终点，直至在顶部某处被刻蚀为针尖状；
(5)湿法刻蚀去除顶部和底部剩余的第一保护层材料；
(6)在顶部制备第二保护层材料，采用湿法刻蚀去除底部一定厚度的原材料，湿法刻蚀去除第二保护层材料，最终获得探针基座；
所述探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，其中所述探针针尖区位于所述探针基座的一端，所述探针针尖区的针尖所在的方向垂直于所述探针把柄区所在的水平面，且该针尖的尖端朝下；所述探针针尖区的针尖的截面形状为倒梯形，即该梯形中较长的底边位于上侧，较短的底边位于下侧，且所述第一磁性层和隧穿绝缘层设置于该梯形较短的底边的一侧。
优选地，所述的制备方法，还包括步骤：
(7)在探针基座的表面沉积包裹金属导体材料，使得所述探针基座导电。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于所述的存储器单元的非易失性存储器，包括若干个所述的存储器单元。
优选地，该存储器包括一个探针端和由若干个介质端构成的介质端阵列。
优选地，该存储器包括由若干个探针端构成的探针端阵列和一个介质端。
优选地，该存储器包括由若干个探针端构成的探针端阵列和由若干个介质端构成的介质端阵列。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的存储器的使用方法，通过编程化点接触所述探针端或介质端，具体为：施加电流至所述探针端，使所述探针端通过压电元件接触并控制所述介质端，或者施加电流至所述介质端，使所述介质端通过压电元件接触并控制所述探针端；所述探针端和介质端接触以形成通路；
通过控制施加电流的大小来控制信息的写入或读取；通过控制施加电流的正负来实现高阻态和低阻态的切换。
优选地，以设置有钉扎层的第一磁性层为固定层，以未设置钉扎层的第二磁性层为自由层；或者以设置钉扎层的第二磁性层为固定层，以未设置钉扎层的第一磁性层为自由层；
通过自旋隧穿力矩效应，利用自旋极化电子，改变自由层的磁化方向，而固定层的磁化方向不变，这样被隧穿绝缘层隔开的第一磁性层和第二磁性层的磁化方向呈现平行排列或反平行排列，实现高低阻态的切换。
优选地，控制施加电流大于自由层的临界翻转电流时，自由层的磁化方向发生垂直翻转，实现信息的写入；
控制施加电流小于自由层的临界翻转电流，自由层的磁化方向不会发生垂直翻转，通过测试其电阻值，实现信息的读取；
控制施加电流大于自由层的临界翻转电流，并通过控制施加电流的正负，改变自由层的磁化方向为垂直向上或垂直向下，从而实现高阻态和低阻态的切换。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提出了一种基于纳米尺寸探针的存储器单元、存储器，它集自旋电子学和NEMS技术的优势于一身，结合了纳米力学和自旋磁存储器件的优点，为在亚10纳米横向尺寸和亚1MA/cm2低转换能量的情况下实现新的存储技术铺平了道路，存储密度得到了大大提升，有望成为下一代通用存储器技术。
(2)本发明提供的存储器单元为基于STT效应的磁性隧道结(MTJs)的核心结构“磁性层/隧穿绝缘层/磁性层”三层膜结构设置，并将该核心结构拆分配置于两个部分，探针端和介质端，该核心的三层膜结构分布在探针端和/或介质端中，形成半磁性隧道结探针结构或一体化全磁性隧道结探针结构。通过控制探针端和介质端实现点接触并形成通路，以进行读写操作。以固定磁化方向的一端的磁性层为固定层，另一端可由基于STT效应的写电流来翻转磁化方向的磁性层为自由层，利用自旋极化电子，改变自由层的磁化方向，而固定层的磁化方向不变，这样被隧穿绝缘层隔开的两层磁化层的磁化方向呈现平行排列或反平行排列，实现高低阻态的翻转，可以方便地进行信息的写入和读取。
(3)本发明提出的存储器结构设置，其读写均可以通过编程化“点接触”进行控制。可编程点接触测量可以执行高灵敏度传输测量。当施加电流时，探针端通过安装在SPM(Scanning Probe Microscopy)中的压电元件的控制可以精确控制接触介质端。
(4)本发明提出的两种结构配置的存储器，根据选定的固定层和自由层，可以将探针端或介质端制成高密度阵列，通过编程控制信息的读写，本发明提出的存储器为一种高密度、非易失性存储阵列的可控纳米机电自旋存储器件。
(5)本发明提出的存储器单元采用氧化-光刻-刻蚀-FIB聚焦离子束修整等方法进行制备。制备方法上采用各向同性和各向异性的湿法刻蚀，方法简单，可以实现大批量的流水线生产。制备了具有特定结构和形状的纳米探针，测量其性能，可以用作探针存储器，其尺寸为纳米级，最小可以达到5nm左右的尺寸。实验证明了放置在NEMS元件上的纳米器件可以作为高度可伸缩、非易失性和鲁棒控制的存储器。在极具垂直磁各向异性的磁性材料上进行的STT电流翻转实验显示了非常有效的翻转控制能力。
附图说明
图1为本发明实施例中纳米探针基座的制备工艺和流程示意图；
图2为本发明实施例中制备得到的纳米探针基座的全貌以及侧视图；
图3是MTJ结构的示意图以及测试方式，以及基于纳米探针的存储器单元结构的示意图。图3中(a)左侧为平行状态的MTJ结构(低阻态)，右侧为反平行状态的MTJ结构(高阻态)。自旋极化电子可以改变了自由层的磁化方向。图3中(b)是半磁性隧道结探针结构的示意图。图3中(c)是“一体化”全磁性隧道结探针的结构示意图。
图4是本发明器件的制备流程示意图。其中，图4中(a)表示成品探针器件图。图4中(b)是器件介质端的制造过程和最终产品图像。图4中(c)是最终产品的AFM/MFM图像。
图5给出了基于探针的存储器的示意图。图5中(a)说明了探针自旋存储的原理图。标尺是50纳米。图5中(b)表示通入写电流引起的磁化强度变化。标尺为50纳米。图5中(c)表示器件I-V特性以及对磁场的依赖关系。
图6是基于“一体化”全磁性隧道结探针的结构示意图。其中，图6中(a)是结构的示意图。探针端结构为W、Ta、CoFeB、MgO、CoFeB和Ta，介质端为Cu。图6中(b)表示当探针端和介质端通过“点接触”方式进行测试时，所加电流的大小和磁阻的关系，可以看出该结构具有很低的临界翻转能量。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种存储器单元，其包括基于STT效应的磁性隧道结(MTJs)的核心结构，该核心结构主要为由第一磁性层/隧穿绝缘层/第二磁性层构成的三层膜结构；
该存储器单元包括纳米尺寸的探针端和介质端，所述第一磁性层/隧穿绝缘层/第二磁性层构成的三层膜结构分布在所述探针端和/或介质端中，形成半磁性隧道结探针结构或一体化全磁性隧道结探针结构；
所述半磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层和隧穿绝缘层的一部分，所述半磁性隧道结探针结构的介质端包括隧穿绝缘层的另一部分和第二磁性层；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；
所述一体化全磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层、隧穿绝缘层和第二磁性层，所述一体化全磁性隧道结探针结构的介质端采用导电金属材料，用作该隧道结探针结构的电极；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；
该存储器单元工作时，所述探针端和介质端实现点接触并形成通路，以进行读写操作。
本发明所述第一磁性层和第二磁性层可采用常规的磁性隧穿结构中的磁性层材料，比如CoFeB、FePt、CoPt等一些可制备成具有PMA的磁性材料。可以通过控制其生长的厚度以及与其他材料的界面作用来实现很好的PMA。
本发明所述隧穿绝缘层可采用常规的磁性隧穿结构中的绝缘层材料，即隧穿绝缘层，一般使用MgO或者Al2O3等。其厚度依据需求进行调整和设置。
本发明所述半磁性隧道结探针结构的探针端和介质端分别含有MTJ结构的一半，即每一端都含有一个磁性层以及隧穿绝缘层的一部分，并且探针端和介质端的磁性层均具有很强的垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)，即磁化方向是垂直膜面的。本发明可以通过现有的常规手段实现探针端和介质端磁性层的垂直磁各向异性。
本发明半磁性隧道结探针结构或一体化全磁性隧道结探针结构除了包括MTJs的核心结构的三层膜结构，还包括根据应用需求而设置的其他膜层结构。
一些实施例中，所述半磁性隧道结探针结构的探针端的结构配置(自上而下)为：W/CoCr(10nm)/Ta(5nm)/CoFeB(1nm)/MgO(0.9nm)；介质端的结构配置(自下而上)为：Ta/FePt/MgO，其中FePt为L1(0)有序磁性层，具有很好的PMA(垂直磁各向异性)。
一些实施例中，所述存储器单元中还设置有钉扎层，所述钉扎层用于钉扎所述固定层的磁化方向，所述固定层可以是所述第一磁性层或第二磁性层。
本发明所述钉扎层设置于固定层的相邻层，(固定层的另一端与隧穿绝缘层接触)，钉扎层采用常规的钉扎层材料，比如MnAu，CrSb，Mn2As，NiMn等反铁磁材料，通过固定层与反铁磁层之间的交换耦合使得固定层的磁化方向固定不变。或者可以采用矫顽力特别大的磁性材料作为固定层，从而起到和有钉扎层同样的效果。本发明所述的一体化全磁性隧道结探针结构，即整个MTJ结构都在纳米探针端，两个磁性层之间有一层绝缘隧穿层。介质端充当电极的作用。
本发明所述一体化全磁性隧道结探针结构的介质端起到电极的作用，一般采用金属材质，比如Cu、Ti或TiN等导电材料等。
一些实施例中，本发明所述一体化全磁性隧道结探针结构的探针端的结构配制(自上而下)为W/Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta；介质端：Cu。本发明所述的一体化全磁性隧道结探针结构可以持续缩小到小于5纳米的尺寸范围，且高低阻态之间的翻转能量低，从而功耗很低。
一些实施例中，所述探针端包括探针基座和设置于探针基座一端的第一磁性层和隧穿绝缘层；也可包括其他根据应用需求而设置的膜层结构。
所述探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，所述探针针尖区在水平方向上的一侧与所述探针把柄区接触，所述探针针尖区在竖直方向上的一个端面上设置有所述第一磁性层和隧穿绝缘层；其中所述探针针尖区的竖直方向即为所述探针针尖区的针尖所在的方向，所述探针针尖区的针尖所在的方向垂直于所述探针把柄区所在的水平面，且该针尖的尖端朝下；
所述探针针尖区在竖直方向上的截面形状为倒梯形，即该梯形中较长的底边位于上侧，较短的底边位于下侧，且所述第一磁性层和隧穿绝缘层设置于该梯形较短的底边的一侧。
所述探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，其中所述探针针尖区位于所述探针基座的一端，所述探针针尖区的针尖所在的方向垂直于所述探针把柄区所在的水平面，且该针尖的尖端朝下。一些实施例中，所述探针把柄区包括托盘和悬臂梁，所述悬臂梁位于所述托盘和所述探针针尖区之间。
所述探针针尖区的针尖的截面形状为倒梯形，即该梯形中较长的底边位于上侧，较短的底边位于下侧，且所述第一磁性层和隧穿绝缘层设置于该梯形较短的底边的一侧。且该梯形较短的一条底边的横向尺寸为纳米级尺寸(小于100nm)，本发明最低可实现低至5纳米。
本发明还提供了所述的存储器单元的制造方法，包括：
探针端的制备：先制备好探针基座，然后在探针基座的一端通过现有的沉积方法沉积所述第一磁性层和隧穿绝缘层，以及其他根据需要设置的膜层。其中，一些实施例中，本发明探针基座的制备包括如下步骤：
(1)在原材料的顶部和底部分别制备保护膜，该保护膜为第一保护层材料；获得顶部和底部具有第一保护层的原材料；
(2)分别对顶部和底部的第一保护层上涂覆光刻胶，然后经过曝光、显影，在顶部和底部的第一保护层上获得不同的图形；
(3)根据步骤(2)在顶部和底部的第一保护层上获得的不同的图形，采用湿法刻蚀去除顶部和底部的部分第一保护层材料，裸露出部分原材料表面；
(4)去除光刻胶，然后采用湿法刻蚀除去一定厚度的原材料，通过外观检查步骤，确定刻蚀终点，直至在顶部某处被刻蚀为针尖状；
(5)湿法刻蚀去除顶部和底部剩余的第一保护层材料；
(6)在顶部制备第二保护层材料，采用各向异性湿法刻蚀去除底部一定厚度的原材料，随后用湿法刻蚀去除掉第二保护层材料，最终获得探针基座。
所述探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，其中所述探针针尖区位于所述探针基座的一端，所述探针针尖区的针尖所在的方向垂直于所述探针把柄区所在的水平面，且该针尖的尖端朝下；所述探针针尖区的针尖的截面形状为倒梯形，即该梯形中较长的底边位于上侧，较短的底边位于下侧，且所述第一磁性层和隧穿绝缘层设置于该梯形较短的底边的一侧。
本发明制备好探针基座以后，在探针基座的一端即倒梯形中具有较短的底边的一侧上通过现有的沉积方法沉积所述第一磁性层和隧穿绝缘层等所需要的膜层结构，优选实施例中采用基于Ga+,Ne+,He+等离子的聚焦离子束(FIB,focused ion beam)方法对沉积的膜层结构进行磨边和铣削，获得纳米尺寸的针尖结构。
本发明所述原材料的材质可以为半导体或者金属良导体。本发明原材料的材质即为所述探针基座中探针针尖区的材质，该原材料可以为硅、氮化硅、钨等，一些实施例中，该原材料的材质为硅，对应的，第一保护层材料为二氧化硅，第一保护层材料的厚度可以为1-500纳米。
一些实施例中，使用的原材料为Si、Si3N4等半导体材料时，完成该探针基座的制备后，需要在整个探针基座的表面采用常用的沉积方法比如磁控溅射、电子束蒸发等沉积包裹一层钨等金属良导体材料，使得探针基座导电，在后续其作为存储器中的探针端时能够进行读写操作。沉积的金属良导体材料的厚度为10nm至几微米不等。
步骤(3)所述湿法刻蚀用于各向同性刻蚀除去没有被光刻胶保护的第一保护层材料，相应地可以选择性采用能够湿法刻蚀除去第一保护层材料的刻蚀剂。
步骤(4)所述湿法刻蚀用于各向异性刻蚀除去裸露出的原材料，由于在步骤(2)显影后获得的顶部图形中，包含不连续的光刻胶，因此，第一次湿法刻蚀去除一段光刻胶两侧的第一保护层材料，再经过去除光刻胶以后，获得光刻胶下方对应的第一保护层材料的两侧裸露出原材料，在第二次湿法刻蚀时，从该保护层材料的四周向下各向同性刻蚀，最终能够刻蚀出针尖状。
步骤(6)在顶部设置第二保护层材料的目的是保护顶部的原材料，使得湿法刻蚀刻蚀底部原材料以获得需要的探针基座厚度时，顶部的原材料以及针尖状原材料不被破坏。
本发明所述第一保护层或第二保护层材料可通过常规的薄膜沉积或磁控溅射沉积等方法制备。
一些优选实施例中，还通过采用He+，Ga+,Ne+基聚焦离子束(FIB)修整在探针基座的探针针尖区的尖端，也就是梯形具有较短底边的一侧进行铣削和磨边加工，使得针尖的尖端较为平滑，适合于沉积磁性材料等。
本发明在探针基座的探针针尖区沉积第一磁性层材料和磁性隧穿绝缘层材料以及其他膜层材料时，可根据常规的薄膜沉积方法，比如磁控溅射等方法沉积需要的磁性多层膜材料，完成基座探针的制备。
介质端的制备：半磁性隧道结探针结构的介质端可通过常规的沉积方法在基底上沉积制备第二磁性层；一体化全磁性隧道结探针结构的介质端可直接采用能够用作电极金属材料。
本发明还提供了基于所述的存储器单元的非易失性存储器，包括若干个所述的存储器单元。
本发明还提供了所述的存储器的使用方法，通过编程化点接触所述探针端或介质端，具体为：施加电流至所述探针端，使所述探针端通过压电元件接触并控制所述介质端，或者施加电流至所述介质端，使所述介质端通过压电元件接触并控制所述探针端；所述探针端和介质端接触以形成通路；
通过控制施加电流的大小来控制信息的写入或读取；通过控制施加电流的正负来实现高阻态和低阻态的切换。
本发明以设置有钉扎层的第一磁性层为固定层，以未设置钉扎层的第二磁性层为自由层；或者以设置钉扎层的第二磁性层为固定层，以未设置钉扎层的第一磁性层为自由层；通过自旋隧穿力矩效应，利用自旋极化电子，改变自由层的磁化方向，而固定层的磁化方向不变，这样被隧穿绝缘层隔开的第一磁化层和第二磁化层的磁化方向呈现平行排列或反平行排列，实现高低阻态的切换。
具体来说，当第一磁化层和第二磁化层的磁化方向呈现平行排列(二者磁化方向相同)时，整个MTJ结构的电阻处于一个低电阻的状态，也叫开态；当第一磁化层和第二磁化层的磁化方向呈现反平行排列(二者磁化方向相反)时，整个MTJ结构的电阻处于一个高电阻的状态，也叫闭态。
本发明所述第一磁性层和第二磁性层，其中有一个磁性层的磁化方向被钉扎住，不会发生变化，称为固定层，另一个磁性层为自由层，磁化方向较容易发生变化，且通过STT效应来利用自旋极化电子，改变自由层的磁化方向。从而可以实现自由层和固定层的磁化方向呈现平行排列(低阻态)或反平行排列(高阻态)，实现高低阻态的翻转，如果用“0”表示低阻态，用“1”表示高阻态，即可实现信息的改变。
本发明控制施加正的写电流大于自由层的临界翻转电流时，自由层的磁化方向发生翻转，若此时固定层和自由层的磁化方向反平行排列，即为高阻态，实现信息“1”的写入；控制施加负的写电流大于自由层的临界翻转电流时，自由层的磁化方向同样发生翻转，与固定层磁化方向平行，为低阻态，即实现信息“0”的写入。
控制施加电流小于自由层的临界翻转电流时，自由层的磁化方向不会发生翻转，此时其电阻值不发生变化，可以通过测试得到其电阻值，若电阻值为高阻，则信息是“1”，若电阻值为低阻，则信息是“0”，从而实现信息的读取。
控制施加电流大于自由层的临界翻转电流，并通过控制施加电流的正负，改变自由层的磁化方向为垂直向上或垂直向下，固定层磁化方向不变，从而实现自由层和固定层的磁化方向平行或者反平行，从而实现高阻态(开态)和低阻态(闭态)的切换。
本发明对以上两种结构的存储器，即包含半磁性隧道结探针结构的存储器以及包含一体化全磁性隧道结探针结构的存储器，这两种结构进行读写的方式都可以通过编程化“点接触”进行控制。可编程点接触测量可以执行高灵敏度传输测量。当施加电流时，探针通过安装在SPM(Scanning Probe Microscopy)中的压电元件的控制可以精确控制接触介质端。进行写操作时，所通的电流值较大，即电流密度较大，通过控制电流的正负来写入信息“0”或者“1”。进行读操作时，电流值较小，电流密度较小，不足以使得自由层的磁化方向发生翻转，从而可以读取阻值的大小，判定该单元存储的信息是“0”还是“1”。
本发明提出的非易失性存储器工作时，需要配合SPM以及外围电路来精确控制探针的位置以及和介质端的精确点接触，以及操控电流大小和方向变化从而实现读操作和写操作，进而实现存储器功能。
存储器构成方法一：对于包含半磁性隧道结探针结构的存储器，当探针端内的第一磁性层为固定层，介质端内的第二磁性层为自由层时，该存储器可包括一个探针端和若干个介质端构成的介质端阵列，此时介质端阵列的每一个存储着信息的半磁性隧道结可以叫做一个存储单元。探针端的磁性层为固定层，即磁化方向不发生变化，在介质端制备一个高密度的阵列，通过程序和SPM控制探针端实现精确移动，与介质端阵列的每一个存储单元接触，对介质端阵列的每一个存储单元进行写操作和读操作。具体来说，使用时，第一步通过编程控制探针端移动到想要写入或者读取信息的存储单元，然后控制探针端和该介质端的存储单元实现点接触，施加电流至MTJ的两端。当控制施加电流大于自由层的临界翻转电流时，若固定层的磁化方向为垂直向上，可以通过控制施加电流的正负，翻转自由层的磁化方向为垂直向上或垂直向下，这样当施加正向写电流时，固定层和自由层磁化方向平行排列，器件阻值处于低电阻状态；当施加负向写电流时，固定层和自由层磁化方向反平行排列，器件阻值处于高电阻状态，从而可以通过改变写电流的正负方向实现高阻态和低阻态的切换，实现信息的写入；控制施加电流小于自由层的临界翻转电流叫做读电流，此时自由层的磁化方向不会发生垂直翻转，通过测试其电阻值，实现信息的读取。
存储器构成方法二：对于包含半磁性隧道结探针结构的存储器，当探针端内的第一磁性层为自由层时，介质端内的第二磁性层为固定层，该存储器可包括由若干个探针端构成的探针端阵列和一个面积覆盖整个探针阵列的介质端。此时，信息“0”和“1”存储在探针端的自由层，此时探针端阵列中的每一个探针端都存储着一位信息，都可以叫做一个存储单元。具体来说，使用时第一步通过编程控制探针阵列中的某一个存储单元向下与介质端实现点接触，施加电流至MTJ的两端。当控制施加电流大于自由层的临界翻转电流时，若固定层的磁化方向为垂直向上，可以通过控制施加电流的正负，翻转自由层的磁化方向为垂直向上或垂直向下，这样当施加正向写电流时，固定层和自由层磁化方向平行排列，器件阻值处于低电阻状态；当施加负向写电流时，固定层和自由层磁化方向反平行排列，器件阻值处于高电阻状态，从而可以通过改变写电流的正负方向实现高阻态和低阻态的切换，实现信息的写入；控制施加电流小于自由层的临界翻转电流叫做读电流，此时自由层的磁化方向不会发生垂直翻转，通过测试其电阻值，实现信息的读取。
存储器构成方法三：对于包含半磁性隧道结探针结构的存储器，当探针端内的第一磁性层为自由层时，介质端内的第二磁性层为固定层，此时，信息“0”和“1”存储在探针端的自由层，此时探针阵列中的每一个探针端都存储着一位信息，都可以叫做一个存储单元。该存储器此时的构成为：可包括由若干个探针端构成的探针端阵列和若干个介质端构成的介质端阵列构成，且每一个探针端对应一个介质端。使用时，第一步通过编程控制探针阵列中的某一个存储单元向下与介质阵列中对应的介质端实现点接触，施加电流至MTJ的两端。当控制施加电流大于自由层的临界翻转电流时，若固定层的磁化方向为垂直向上，可以通过控制施加电流的正负，翻转自由层的磁化方向为垂直向上或垂直向下，这样当施加正向写电流时，固定层和自由层磁化方向平行排列，器件阻值处于低电阻状态；当施加负向写电流时，固定层和自由层磁化方向反平行排列，器件阻值处于高电阻状态，从而可以通过改变写电流的正负方向实现高阻态和低阻态的切换，实现信息的写入；控制施加电流小于自由层的临界翻转电流叫做读电流，此时自由层的磁化方向不会发生垂直翻转，通过测试其电阻值，实现信息的读取。
存储器构成方法四：对于包含一体化全磁性隧道结探针结构的存储器，整个MTJ结构都在探针端，介质端只是起到一个电极的作用，信息存储在探针端的MTJ中。此时存储器的阵列为探针端的阵列，介质端可以是面积等同或大于整个探针阵列的整体，也可以是与探针阵列一一对应的介质阵列。信息“0”和“1”存储在探针端的自由层，此时探针阵列中的每一个探针端都存储着一位信息，都可以叫做一个存储单元。通过控制探针端阵列中的某一个探针(即一个存储单元)，来与介质端的电极相接触，实现读操作和写操作。探针端内的第一磁性层或第二磁性层为自由层或者固定层；该存储器可包括由若干个探针端构成的探针端阵列和一个介质端，或者也可包括由若干个探针端构成的探针端阵列和若干个与之一一对应的介质端构成的介质端阵列。使用时第一步通过编程控制探针阵列中的某一个存储单元向下与介质阵列中对应的介质端或者整体介质端实现点接触，施加电流至MTJ的两端。当控制施加电流大于自由层的临界翻转电流时，若固定层的磁化方向为垂直向上，可以通过控制施加电流的正负，翻转自由层的磁化方向为垂直向上或垂直向下，这样当施加正向写电流时，固定层和自由层磁化方向平行排列，器件阻值处于低电阻状态；当施加负向写电流时，固定层和自由层磁化方向反平行排列，器件阻值处于高电阻状态，从而可以通过改变写电流的正负方向实现高阻态和低阻态的切换，实现信息的写入；控制施加电流小于自由层的临界翻转电流叫做读电流，此时自由层的磁化方向不会发生垂直翻转，通过测试其电阻值，实现信息的读取。
本发明通过将NEMS(Nano-Electromechanical System,简称NEMS)和自旋电子技术结合，在极具垂直磁各向异性的磁性材料上进行的STT(Spin Transfer Torque，自旋转移力矩)电流翻转实验显示了非常有效的翻转控制能力，证明了放置在NEMS元件上的纳米器件可以作为高度可伸缩、非易失性和鲁棒控制的存储器。
以下为实施例：
如图1所示，按照如下方法制备探针基座：
(1)在硅片的顶部和底部分别制备保护膜，可通过氧化形成二氧化硅，该二氧化硅保护膜为第一保护层材料；获得顶部和底部具有第一保护层的硅；
(2)分别对顶部和底部的第一保护层上涂覆光刻胶，然后经过曝光、显影，在顶部和底部的第一保护层上获得不同的图形；
(3)根据步骤(2)在顶部和底部的第一保护层上获得的不同的图形，采用HF(氢氟酸)各向同性湿法刻蚀去除顶部和底部的部分二氧化硅，裸露出部分硅表面；
(4)去除光刻胶，然后采用KOH(氢氧化钾)各向异性湿法刻蚀除去一定厚度的硅，通过外观检查步骤，确定刻蚀终点，直至在顶部某处被刻蚀为针尖状；
(5)湿法刻蚀去除顶部和底部剩余的二氧化硅；
(6)在顶部沉积制备第二保护层材料Si3N4，采用各向异性湿法刻蚀去除底部一定厚度的硅，随后各向同性湿法刻蚀去除氮化硅，最终获得探针基座。该探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，探针把柄区包括托盘(图2中的holder)和悬臂梁(图2中的CantilevelBeam)，所述探针针尖区位于所述探针把柄区的一端，且该探针针尖垂直于所述探针把柄区所在的水平面，且针尖朝下。探针针尖区截面形状为倒梯形，较短的底边位于下侧。
(7)在获得的探针基座表面采用磁控溅射沉积一层金属钨，使得该探针基座导电。
(8)采用He+基聚焦离子束(FIB)修整来在探针基座的探针针尖区的针尖尖端、倒梯形较短的底边表面依次沉积膜层材料，获得如图3所示的结构，在探针端依次为W/CoCr(10nm)/Ta(5nm)/CoFeB(1nm)/MgO(0.9nm)，制备一个纳米级尺寸的磁性隧道结结构，其中CoFeB层具有很好的垂直磁各向异性；然后从衬底侧制备了Ta/FePt/MgO薄膜层，即为介质端。
图1是本实施例一种纳米探针基座的制备方法和详细的流程图。主要是利用氧化、光刻、沉积等方法做出保护层，然后利用各向同性的湿法刻蚀和各向异性的湿法刻蚀对一些部分进行刻蚀，得到纳米尺寸的针尖形状的探针。图2展示了实验上制备成功的纳米探针的全貌形状。其中把柄(holder，探针把柄区)部分的宏观尺寸是1.6x 3.4mm2，但是并不局限于这个尺寸，具体要求满足应用即可。这个把柄的作用是方便搬运和安装到SPM上，从而对探针针尖进行精确地位置操控。图中还展示了本发明实验中制备成功的纳米探针结构中的悬臂梁部分和针尖部分的参数和尺寸等，但只是一种实施例，并不局限于这一种尺寸，具体参数满足应用需求即可。
在探针针尖区依次沉积膜层材料，获得如图3所示的结构，在探针尖端结构(探针针尖区)为W/CoCr(10nm)/Ta(5nm)/CoFeB(1nm)/MgO(0.9nm)。图3中(a)左侧为平行状态的MTJ结构(低阻态)，右侧为反平行状态的MTJ结构(高阻态)。自旋极化电子可以改变了自由层的磁化方向。图3中(b)是半磁性隧道结探针结构的示意图。图3中(c)是“一体化”全磁性隧道结探针的结构示意图。
本发明探针端的制备过程，即利用原本的原材料的探针，先制备成楔形形状，然后再将MTJ多层结构沉积上去。最后的成品探针器件图如图4中(a)所示，本发明采用最先进的He+基聚焦离子束(FIB)修整来在探针的尖端制备一个纳米级尺寸的磁性隧道结结构，其中探针端的CoFeB层具有很好的垂直磁各向异性。从衬底侧制备了Ta/FePt/MgO薄膜层，如图4中(b)所示。采用AFM/MFM对制备的介质结构进行了研究，如图4中(c)所示。表明结构具有良好的垂直磁各向异性。
图5中(a)显示了探针写入器。如图5中(b)所示，我们测试了电流相关的磁化变化来随机翻转介质。底部的SPM结果显示了扫过电流后磁化强度的变化，可以清晰地看到在高于临界翻转电流时，图像显示磁化方向发生了翻转。从研究中可以看出，利用探针可以很容易地控制介质的磁化方向，从而实现CoFeB和FePt磁化方向平行或者反平行，即控制MTJ电阻态发生翻转，即可以控制“0”和“1”信息的写入。对于写过程，我们可以通入电流密度较大(同读电流相比)的写电流，通过STT效应，写电流密度大于临界翻转电流密度，通过控制电流的正负可以使得介质端的磁性层磁化方向垂直向上或者垂直向下，从而以“0”或者“1”态保存在介质层端中。对于读过程，通入一个电流密度较小的小于临界翻转电流密度的读电流，不会改变介质层中的磁化方向，读取其电阻值，得到其中的信息。
图5中(b)所示，低于临界翻转能量的时候，图像没有变化，即磁化情况不变。如果电流加到高于临界翻转能量，图像(磁化)就会变成红色或黄色。
图5中(c)显示了使用磁场相关的I-V特性。在无磁场的情况下，可以清楚地观察到平行和反平行翻转。在饱和磁场以上，电流依赖性减弱。
图6中(a)是“一体化”全磁性隧道结探针结构图，图6中(b)显示了该种结构的磁阻比随着所加电流大小的变化曲线图。可以看出该种5nm尺寸结构的存储器单元的临界翻转电流较小，能耗较低。
本发明研究了一种集NEMS和自旋电子技术优点于一身的新型存储器件。特别是，我们证明了放置在NEMS元件上的纳米器件可以作为高度可伸缩、非易失性和鲁棒控制的存储器。在极具垂直磁各向异性的磁性介质上进行的STT翻转实验显示了非常有效的电流控制翻转的能力。考虑到这些优点，本发明为纳米机械高密度自旋存储器铺平了道路，这种自旋存储器能够以超高速存取速率存储超高密度的数据，有望成为下一代通用存储器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种存储器单元，其特征在于，其包括基于STT效应的磁性隧道结的核心结构，该核心结构主要为由第一磁性层/隧穿绝缘层/第二磁性层构成的三层膜结构；
该存储器单元包括纳米尺寸的探针端和介质端，所述第一磁性层/隧穿绝缘层/第二磁性层构成的三层膜结构分布在所述探针端和/或介质端中，形成半磁性隧道结探针结构或一体化全磁性隧道结探针结构；
所述半磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层和隧穿绝缘层的一部分，所述半磁性隧道结探针结构的介质端包括隧穿绝缘层的另一部分和第二磁性层；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；
所述一体化全磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层、隧穿绝缘层和第二磁性层，所述一体化全磁性隧道结探针结构的介质端用作该隧道结探针结构的电极；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；
该存储器单元工作时，所述探针端和介质端发生接触并形成通路，以进行读写操作。
2.如权利要求1所述的存储器单元，其特征在于，所述存储器单元中还设置有钉扎层，所述钉扎层用于钉扎所述第一磁性层或第二磁性层的磁化方向。
3.如权利要求1所述的存储器单元，其特征在于，所述探针端包括探针基座和设置于探针基座上的第一磁性层和隧穿绝缘层；
所述探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，所述探针针尖区在水平方向上的一侧与所述探针把柄区接触，所述探针针尖区在竖直方向上的一个端面上设置有所述第一磁性层和隧穿绝缘层；其中所述探针针尖区的竖直方向即为所述探针针尖区的针尖所在的方向，且该针尖的尖端朝下；
所述探针针尖区在竖直方向上的截面形状为倒梯形，即该梯形中较长的底边位于上侧，较短的底边位于下侧，且所述第一磁性层和隧穿绝缘层设置于该梯形较短的底边的一侧；
优选地，所述倒梯形的底边尺寸为纳米尺寸。
4.如权利要求1至3任一项所述的存储器单元的制备方法，其特征在于，包括探针端的制备，所述探针端的制备包括如下步骤：先制备好探针基座，然后在探针基座的一端沉积所述第一磁性层和隧穿绝缘层；所述探针基座的制备包括如下步骤：
(1)在原材料的顶部和底部分别制备保护膜，该保护膜为第一保护层材料，获得顶部和底部具有第一保护层的原材料；
(2)分别对顶部和底部的第一保护层上涂覆光刻胶，然后经过曝光、显影，在顶部和底部的第一保护层上获得不同的图形；
(3)根据步骤(2)在顶部和底部的第一保护层上获得的不同的图形，采用湿法刻蚀去除顶部和底部的部分第一保护层材料，裸露出部分原材料表面；
(4)去除光刻胶，然后采用湿法刻蚀除去一定厚度的原材料，通过外观检查步骤，确定刻蚀终点，直至在顶部某处被刻蚀为针尖状；
(5)湿法刻蚀去除顶部和底部剩余的第一保护层材料；
(6)在顶部制备第二保护层材料，采用湿法刻蚀去除底部一定厚度的原材料，湿法刻蚀去除第二保护层材料，最终获得探针基座；
所述探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，其中所述探针针尖区位于所述探针基座的一端，所述探针针尖区的针尖所在的方向垂直于所述探针把柄区所在的水平面，且该针尖的尖端朝下；所述探针针尖区的针尖的截面形状为倒梯形，即该梯形中较长的底边位于上侧，较短的底边位于下侧，且所述第一磁性层和隧穿绝缘层设置于该梯形较短的底边的一侧。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤：
(7)在探针基座的表面沉积包裹金属导体材料，使得所述探针基座导电。
6.一种基于如权利要求1至3任一项所述的存储器单元的非易失性存储器，其特征在于，包括若干个如权利要求1至3任一项所述的存储器单元。
7.如权利要求6所述的存储器，其特征在于，该存储器包括一个探针端和由若干个介质端构成的介质端阵列。
8.如权利要求6所述的存储器，其特征在于，该存储器包括由若干个探针端构成的探针端阵列和一个介质端。
9.如权利要求6所述的存储器，其特征在于，该存储器包括由若干个探针端构成的探针端阵列和由若干个介质端构成的介质端阵列。
10.如权利要求6至9任一项所述的存储器的使用方法，其特征在于，通过编程化点接触所述探针端或介质端，具体为：施加电流至所述探针端，使所述探针端通过压电元件接触并控制所述介质端，或者施加电流至所述介质端，使所述介质端通过压电元件接触并控制所述探针端；所述探针端和介质端接触以形成通路；
通过控制施加电流的大小来控制信息的写入或读取；通过控制施加电流的正负来实现高阻态和低阻态的切换。
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