TWI773711B - 記憶體 - Google Patents

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Abstract

一種非揮發性記憶體單元包括：一儲存層，其包括一鐵磁或鐵電材料，其中資料可記錄為磁極化或電極化之一方向；一壓磁層，其包括一反鈣鈦礦壓磁材料，其取決於該壓磁層中之磁性狀態及應變而選擇性地具有對該儲存層之一第一類型之效應及對該儲存層之一第二類型之效應；及一應變誘導層，其用於在該壓磁層中誘導一應變以藉此自該第一類型之效應切換至該第二類型之效應。

Description

記憶體
本發明係關於一種非揮發性記憶體(NVM)單元且係關於一種將資料寫入至一非揮發性記憶體單元及自一非揮發性記憶體單元讀取資料之方法。
本發明旨在填充高效能揮發性昂貴電腦隨機存取記憶體(RAM)與低效能低成本非揮發性資料儲存裝置(諸如硬碟機(HDD))之間之間隙。試圖填充此間隙之新興NVM技術被稱為儲存級記憶體(SCM)。
在改良資料儲存之效能方面，主要候選者係NAND-快閃記憶體(固態磁碟(SSD)中之主導技術)，其當前過於昂貴以至於無法取代HDD且其低耐久性、效能及能量效率防止其應用為RAM。經改良HDD技術(諸如熱輔助磁記錄(HAMR))亦經受低效能。在正在開發的非揮發性記憶體技術當中，主要競爭者係自旋轉移力矩RAM(STT-RAM，經受有限可擴縮性，要求相對較高電流密度以達成在狀態之間切換)、鐵電RAM(FRAM，使用破壞性讀出且經受較低耐久性)、相變記憶體(PCM，經受低耐久性、能量效率且依賴於昂貴有毒材料)、電阻式RAM(RRAM，使用破壞性讀出且被動記憶體陣列經受潛行路徑問題)及基於此等原理之多單元裝置。
現有NVM單元經受以下缺點之一或多者：其等需要用於讀取及/或寫 入資料之一電晶體；其等需要用於讀取及寫入資料之兩個以上電極；其等不可堆疊且因此無法形成為三維陣列；其等在兩個維度中具有低堆積密度。
本發明提供一種非揮發性記憶體單元，其包括：一儲存層，其包括一鐵磁材料，其中資料可記錄為一磁化方向；一壓磁層，其包括一反鈣鈦礦壓磁材料，其取決於壓磁層中之應變而選擇性地具有對儲存層之一第一類型之效應及對儲存層之一第二類型之效應；一應變誘導層，其用於誘導壓磁層中之一應變以藉此自第一類型之效應切換至第二類型之效應。
因此，本發明利用具有不同應變之反鈣鈦礦壓磁材料之變化性質來選擇性地改變儲存層與壓磁層之間之相互作用之強度。兩個類型之效應允許寫入至記憶體單元。儲存層中之磁化影響壓磁層中之一磁性狀態。壓磁層中之磁性狀態歸因於其強磁彈性耦合而影響壓磁層之彈性性質。壓磁層形成一平面電容器之頂板且量測其容量用於使用僅兩個電極讀取儲存層之磁性狀態(磁電容效應)。
在一實施例中，第一類型之效應係其中壓磁層之一凈磁化足夠強以克服儲存層中之矯頑場且儲存層之磁化透過偶極耦合而與壓磁層之磁化對準的效應且第二類型之效應係其中歸因於壓磁層之任何磁化之儲存層中之任何磁場低於儲存層之矯頑場的效應。因此，在第二類型之效應中，儲存層之磁化未改變方向。
因此，為寫入資訊，將電壓施加至壓電層，此誘導壓磁層中之應變以改變其磁化。歸因於儲存層與壓磁層之間之偶極耦合，壓磁層之磁化之變化有效地改變儲存層之磁化方向。在儲存層之磁化方向已改變之後，歸 因於壓磁層與應變誘導層之間之一小晶格失配或歸因於應變誘導層之鐵電極化，應變誘導(壓電)層中之應變減小至一小值(例如，非零值)，使得壓磁層中之磁化減小至使得儲存層中之任何磁場低於儲存層之矯頑場的一位準。藉此一旦從壓磁層移除應變(一旦從壓電層移除電壓)，儲存層中之磁化方向未改變。
此配置之優點係與用於寫入至儲存層相同之電極可用於讀取儲存層。
在一實施例中，非揮發性記憶體單元包括儲存層與壓磁層之間之一非磁性層，其用於防止儲存層與壓磁層之間之一交換偏壓。若在儲存層與壓磁層之間存在一交換偏壓，則當移除施加至壓磁層以便寫入至儲存層之應變時，亦將影響儲存層中之磁化方向。藉此包含儲存層與壓磁層之間之一非磁性層允許從NVM單元移除電壓而不丟失儲存於儲存層中之資料。
在一實施例中，反鈣鈦礦壓磁材料具有+/-30%、較佳+/-10%、最佳+/-1%之一應變下之大於350K之一奈耳溫度(TN)。此意謂反鈣鈦礦壓磁材料將在非揮發性記憶體單元之典型工作溫度下維持其壓磁性質且將不需要(舉例而言)任何特殊冷卻配置以確保材料不升高超過奈耳溫度且藉此變成順磁性。
在一實施例中，反鈣鈦礦壓磁材料係基於Mn3SnN之材料(例如，Mn3-xAxSn1-yByN1-z，其中A及B係選自包含以下各者之清單之一或多個元素：Ag、Al、Au、Co、Cu、Fe、Ga、Ge、In、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Sb、Si、Sn、Zn)。Mn3SnN係已被發現具有約475K之一奈耳溫度以及針對應變之一小變化之誘導磁化之一大變化且可藉此提供一高度可靠性的一材料。
在一實施例中，第一類型之效應係其中壓磁層處於順磁性狀態且不存在儲存層與壓磁層之間之交換偏壓相互作用藉此允許藉由一外部磁場改變儲存層之磁化方向的效應且第二類型之效應係其中壓磁材料處於反鐵磁狀態因此藉由壓磁層釘紮儲存層之磁化方向的一交換偏壓相互作用。一外部磁場可係全域施加至整個陣列或局部施加至各位元之一可切換場或驅動一進動式磁化切換之一恆定垂直場。在此實施例中，反鈣鈦礦壓磁材料展現奈耳溫度隨應變而變化之其等最新發現性質適用於非揮發性記憶體單元。此允許在反鈣鈦礦壓磁材料係順磁性時改變儲存層之磁化方向。接著，釋放施加至壓磁材料之應變，從而在其藉由交換偏壓相互作用釘紮儲存層之磁化方向時使反鈣鈦礦壓磁材料返回至一反鐵磁性狀態。藉此甚至在未施加電壓至記憶體單元時仍維持儲存層中之磁化方向。因此，此一記憶體單元係非揮發性的，對熱波動或外部磁場具有高度彈性，且不耗電。
在一實施例中，壓磁材料具有隨應變而變化之一奈耳溫度且其中在應變自+30%變化至-30%、較佳自+10%變化至-10%、最佳自+1%變化至-1%時奈耳溫度超過293K。此意謂裝置可在典型環境溫度下操作且無需加熱或冷卻(諸如在HAMR中)以使NVM單元正確地操作。
在一實施例中，反鈣鈦礦壓磁材料係基於Mn3GaN或Mn3NiN，例如，Mn3-xAxGa1-yByN1-z或Mn3-xAxNi1-yByN1-z，其中A及B係選自包含以下各者之清單之一或多個元素：Ag、Al、Au、Co、Cu、Fe、Ga、Ge、In、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Sb、Si、Sn、Zn。已發現若干此等材料展現隨應變而變化之奈耳溫度之變化，其中在應變自+1%變化至-1%時奈耳溫度超過293K，且亦展現該應變範圍中奈耳溫度之一大變化，藉此允許對寫入至儲存層之更容易控制。
在一實施例中，非揮發性記憶體單元包括定位成相鄰儲存層以誘導用於改變儲存層之磁化方向之一全域或一局部時間相依磁場的至少一個額外電極。在一實施例中，額外層具有垂直於儲存層之磁化的恆定磁化以在儲存層針對其進動週期之一半變得解除釘紮時誘導儲存層之磁化之進動式切換。此進一步機制在其中壓磁材料在一寫入程序中製成順磁性以便對儲存層解除釘紮之實施例中係有利的。所施加磁場之一單一源可用於將資料寫入至多個記憶體單元。
在一較佳實施例中，應變誘導層係一壓電層。此允許不同應變速率之間之快速切換及極佳耐久性。
在一實施例中，應變誘導層係一鈣鈦礦材料。此係有利的，因為接著可減少應變誘導層與壓磁層之間之任何晶格失配。在一較低晶格失配之情況下，可藉由應變誘導層誘導壓磁層中之拉伸及壓縮應變兩者且減少在未啟動應變誘導層(即，歸因於晶格失配)時壓磁層中之任何剩餘應變。此係有利的，因為其改良記憶體單元之機械穩定性及耐久性。
在一實施例中，儲存層與壓磁層之間及/或壓磁層與應變誘導層之間之一晶格失配小於1%。此增加裝置之耐久性且在壓磁層與誘導層之間之低失配之情況中允許誘導壓磁層中之拉伸及壓縮應變且藉此啟用第一類型之實施例中之寫入操作。在非揮發性記憶體單元係記憶體單元之一二維或三維陣列之部分之情況中，小晶格失配能夠構建大陣列，否則將在其等中具有不可接受應變位準。
在一實施例中，儲存層係鈣鈦礦層。此係有利的，因為相鄰鈣鈦礦層與反鈣鈦礦層之間之晶格失配允許層之間之低晶格失配並具有上文中提及之隨附優點。
在一實施例中，非揮發性記憶體單元進一步包括：一第一電極，其在與壓磁層相對之一側上連接至儲存層；及一第二電極，其在與壓磁層相對之一側上連接至應變誘導層。接著，可僅運用該兩個電極且在無需陣列之各單元處之一電晶體之情況下讀取及寫入至非揮發性記憶體。因此，NVM單元可容易定址。在一二維陣列中，可運用與陣列之其他單元共用之第一電極及第二電極定址個別記憶體單元。
在一實施例中，提供一種二維或三維記憶體單元陣列，其包括本發明之複數個非揮發性記憶體單元。本發明之記憶體單元理想地適合併入至一二維或三維陣列中，此係因為應力並未隨著更多記憶體單元經形成彼此相鄰(橫向及垂直兩者)而增進(尤其在憑藉層之間之低晶格失配構建之情況下)。各記憶體單元之大小係小的且僅需要兩個電極來執行讀取及寫入功能兩者意謂可達成一高密度記憶體。
在一實施例中，提供一種將資料寫入至包括一儲存層及一反鈣鈦礦壓磁層之一非揮發性記憶體單元及自該非揮發性記憶體單元讀取資料的方法，該方法包括以下步驟：在儲存層中誘導一第一或第二方向上之極化以藉此將資料寫入至記憶體單元，儲存層在第一方向上之極化在反鈣鈦礦壓磁層中誘導一第一磁性狀態且儲存層在第二方向上之極化在反鈣鈦礦壓磁層中誘導一第二磁性狀態；及量測記憶體單元之一磁電容，反鈣鈦礦壓磁層在第一磁性狀態中之磁電容不同於在第二磁性狀態中之磁電容以藉此讀取儲存於儲存層中之資料。
因此，可僅使用兩個電極讀取儲存於儲存層中之資訊而無需一電晶體且不覆寫儲存於記憶體中之資料。此在無反鈣鈦礦壓磁層之情況下不可達成，因為一通用鐵電電容器之容量關於其電極化之定向對稱。即，在反 鈣鈦礦壓磁層之一完全補償反鐵磁性狀態或順磁性狀態中量測時之記憶體位元之磁電容係相同的，而無關於鐵電極化方向。相反地，對於反鈣鈦礦壓磁層之傾斜反鐵磁性狀態，磁電容隨影響壓磁層中之磁化之大小之鐵電極化之定向而變化。此係歸因於支援所謂的磁彈性耦合之反鈣鈦礦壓磁材料之受抑磁性。
在一實施例中，量測包括跨儲存層及反鈣鈦礦層施加一交替電壓及判定記憶體單元之一電抗及藉此磁電容。在一實施例中，量測包括判定記憶體單元之諧振頻率之偏移。
在一實施例中，儲存層包括一鐵磁材料且極化係一磁極化，即，磁化。
在一實施例中，藉由在反鈣鈦礦壓磁層中誘導足夠強以使儲存層之磁極化透過偶極耦合而與反鈣鈦礦壓磁層之磁化對準的一磁化而執行誘導。因此，反鈣鈦礦壓磁材料具有兩個功能，其等皆允許記憶體單元被讀取且亦用於寫入操作中以誘導儲存層中之極化。此意謂僅需要兩個電極來執行讀取及寫入功能兩者且此無需使用電力且用盡空間之一電晶體。
在一實施例中，非揮發性記憶體進一步包括一應變誘導層且藉由使用應變誘導層在反鈣鈦礦壓磁層中誘導應變而達成在反鈣鈦礦壓磁層中誘導磁化。因此，藉由跨應變誘導層(其可係一壓電材料)施加一電位差，可在反鈣鈦礦壓磁層中誘導應變。反鈣鈦礦壓磁層中之應變導致反鈣鈦礦壓磁層中之一磁性自旋極化之產生。反鈣鈦礦壓磁層中之磁性自旋極化藉此舉例而言藉由偶極耦合誘導儲存層中之磁化。
在一實施例中，誘導包括使用一磁化電極誘導儲存層中之磁化。可使用此一磁化電極在多個非揮發性記憶體單元之儲存層中誘導第一或第二 方向上之極化。
在一實施例中，誘導進一步包括在反鈣鈦礦壓磁層中誘導應變以藉此將反鈣鈦礦壓磁層轉變為順磁性。在此實施例中，使用反鈣鈦礦壓磁層作為一開關以允許在儲存層上寫入或不允許在儲存層上寫入。藉此結合外部施加磁場，可達成自非揮發性記憶體單元讀取資料及將資料寫入至非揮發性記憶體單元之系統。
在一實施例中，非揮發性記憶體單元進一步包括一應變誘導層且藉由應變誘導層完成誘導應變。因此，藉由跨應變誘導層(其可係一壓電材料)施加一電位差，可在反鈣鈦礦壓磁層中誘導應變。此可用於將反鈣鈦礦壓磁層自一反鐵磁性材料轉變成一順磁性材料。此開關具有快速回應時間及良好壽命且可用於釘紮及不釘紮儲存層中之極化。
在一實施例中，儲存層包括一鐵電材料且極化係一電極化。在此實施例中，非揮發性記憶體單元包括在與儲存層相對之一側上連接至反鈣鈦礦壓磁層之一第一電極及在與反鈣鈦礦壓磁層相對之一側上連接至儲存層之一第二電極，且誘導包括跨第一電極及第二電極施加一電位差，且量測包括量測第一電極與第二電極之間之磁電容。此一裝置極其簡單及緊湊且可在一無電晶體陣列內部操作。
10:儲存層
15:非磁性層
20:壓磁層/壓磁材料
30:應變誘導層
50:第一電極/第一層
60:第二電極/第二層
70:電極/垂直磁化層
300:鐵電層
現將僅藉由實例參考以下圖式且如以下圖式中圖解說明般描述本發明之實施例：圖1係反鈣鈦礦壓磁材料之晶格及磁性結構之一示意性圖解；圖2係針對不同反鈣鈦礦壓磁材料之一選擇之沿著x軸之應變相對於沿著y軸之誘導凈磁化之一圖表； 圖3係針對不同反鈣鈦礦壓磁材料之一選擇之沿著x軸之應變相對於沿著y軸之凱氏溫度(奈耳溫度-零應變之奈耳溫度)之一圖表；圖4係針對Mn3NiN之實驗判定結果(依據x軸上之c軸應變而變化之y軸上之奈耳溫度及飽和磁化，其中在100K下自M-H迴路獲取飽和磁化)之一圖表；圖5係室溫下之(LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7基板上之Mn3GaN/Ba0.75Sr0.25TiO3/SrRuO3異質結構之磁電容效應之一圖表；圖6係根據一第一實施例之一非揮發性磁性記憶體單元之一橫截面示意圖；圖7係根據一第二實施例之一非揮發性磁性記憶體單元之一橫截面示意圖；圖8係根據一第三實施例之一非揮發性電記憶體單元之一橫截面示意圖；圖9係根據一實施例之一二維磁性記憶體陣列之一透視示意圖；圖10係寫入至第一實施例之一二維記憶體陣列之一說明(且亦適用於第三實施例之一二維記憶體陣列)；圖11係寫入第二實施例之一二維陣列之一說明；圖12係全部三個實施例之一二維記憶體陣列之讀取之一說明；及圖13係根據一實施例之一三維磁性記憶體陣列之一透視示意圖。
本發明利用基於Mn之反鈣鈦礦之性質。已知此等材料展現壓磁效應。壓磁效應係歸因於在基於Mn之反鈣鈦礦之傾斜反鐵磁性狀態中表現之應力之施加之磁化變化。
圖1a圖解說明其中不存在凈磁化之非應變狀態中之一基於Mn之反鈣鈦礦之結構。圖1b圖解說明其中施加一拉伸應變且存在反平行於[110]方向之一經誘導凈磁化的情況，且圖1c圖解說明其中施加誘導平行於[110]方向之一凈磁化之一壓縮應變的情況。如圖解說明，在施加一拉伸應變或一壓縮應變時，誘導一凈磁性自旋極化(即，磁化)。磁性自旋極化之方向對於拉伸應變及壓縮應變係相反的。
圖2係沿著百分比雙軸晶格應變之x軸及沿著經誘導磁化之y軸之一圖表。在圖2中，針對四個不同類型之基於Mn之反鈣鈦礦材料標繪經誘導磁化之變動。如可見，針對Mn3SnN發生磁場隨應變之最大變動，下一最敏感材料係Mn3NiN，接著係Mn3InN且然後係Mn3GaN。亦圖解說明針對該等材料之塊體形式實驗觀察之零百分比應變下之奈耳溫度。超過奈耳溫度，材料變成順磁性而非反鐵磁性且因此未觀察到磁性自旋極化隨經誘導應變之變化之效應。圖2中之結果係已針對Mn3NiN實驗確認之模擬之結果(參見圖4，其展示依據x軸上之c軸應變而變化之y軸上之奈耳溫度及飽和磁化，其中在100K自M-H迴路獲取飽和磁化)。
本發明者已發現基於Mn之反鈣鈦礦之奈耳溫度隨經誘導應變強烈變化。在圖3中圖解說明奈耳溫度對經誘導應變之敏感度，其中針對三個不同基於Mn之反鈣鈦礦沿著x軸標繪應變且沿著y軸標繪奈耳溫度與其在零應變下之凱氏溫度值之偏差。圖3中展示之結果基於已知高估奈耳溫度之理論計算(使用KKR-DLM平均場近似(主要由University of Warwick，J B Staunton教授開發之量子機械程式碼))。儘管凱氏溫度值不表示實驗所觀察者，然奈耳溫度之變動指示實驗所觀察者。如可見，Mn3NiN及Mn3GaN兩者在大約環境溫度下展現一奈耳溫度(在零百分比應變下，奈 耳溫度分別係240K(如圖4中所見)及300K，如以實驗方式判定)。基於Mn之反鈣鈦礦中之應變之變化可用於將基於Mn之反鈣鈦礦之性質自壓磁(低於奈耳溫度)變成順磁性(超過奈耳溫度)。已按實驗方式確認奈耳溫度及經誘導磁化對Mn3NiN中之應變之相依性之結果(圖4)。
圖5展示室溫下之(LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7基板上之Mn3GaN/Ba0.75Sr0.25TiO3/SrRuO3異質結構之經量測磁電容效應。藉由在底部電極(SrRuO3)與Au之一頂部電極之間施加一1.5V DC偏壓而獲得在7T之一磁場下大於1400%之磁電容效應。Ba0.75Sr0.25TiO3之電容之變化起因於藉由Mn3GaN層在磁場下之(逆)壓磁效應誘導之界面應變。應注意，相較於1.5V DC偏壓下之磁電容效應，磁電容效應在0V DC偏壓下小得多。大磁電容支援讀取機制。
本發明者已在圖1至圖5中圖解說明之對基於Mn之反鈣鈦礦之性質之理解之基礎上開發NVM單元。
在第一實施例及第二實施例中，一非揮發性記憶體單元利用圖2至圖5中圖解說明之基於Mn之反鈣鈦礦壓磁材料之性質。圖6及圖7係根據第一實施例及第二實施例之非揮發性磁性記憶體單元之橫截面示意圖。NVM單元包括資料可記錄於其中之一儲存層10。儲存層10可包括一鐵磁材料。以此方式，資料可記錄為一磁化方向。
亦提供一壓磁層20。壓磁層20包括一反鈣鈦礦壓磁材料，較佳基於Mn之反鈣鈦礦壓磁材料。取決於壓磁層20中之應變，壓磁層20選擇性地具有對儲存層10之一第一類型之效應(舉例而言當在一壓縮或拉伸應變下時)及對儲存層10之一第二類型之效應(舉例而言在低或無拉伸或壓縮應變下)。
提供一應變誘導層30用於在壓磁層20中誘導一應變以藉此自第一類型之效應切換至第二類型之效應。
在儲存層10之與壓磁層20相對之一側上提供一第一電極50。在應變誘導層30之與壓磁層20相對之一側上提供一第二電極60。層20、30及60形成一平面電容器，其展現用於僅藉由電氣手段非破壞性地讀出所儲存資訊之磁電容效應(如下文中描述)。
藉由跨第一電極50及第二電極60施加一電壓，可在應變誘導層30中誘導一應變。將在應變誘導層30中由跨第一電極50及第二電極60之電位差誘導之應變傳送至壓磁層20。如圖2至圖5中圖解說明，在壓磁層20中誘導一應變改變壓磁層20在其磁化方面及/或在其奈耳溫度方面之性質。壓磁層20之性質之變化對儲存層10具有一效應(例如，第一類型之效應)，其係取決於壓磁層20中之應變之一不同效應(例如，第二類型之效應)。
在一實施例中，壓磁層20以垂直於應變誘導層30及儲存層10之平面對準之(001)定向生長。此確保良好磊晶生長、圖1中展示之磁性結構之形成、良好機械穩定性、與鐵電層300之小晶格失配及針對一給定平面內應變之性質(第一實施例之磁化或第二實施例之奈耳溫度)之最大變化。
應變誘導層30可係一壓電材料，舉例而言一鐵電材料。在一實施例中，應變誘導層30具有鈣鈦礦或反鈣鈦礦結構。舉例而言，應變誘導層可係(Ba/Sr)TiO3材料。具有鈣鈦礦結構可係有利的，此係因為藉此可達成應變誘導層30與壓磁層20之間之一明確界定界面及強彈性耦合。一清潔結晶界面導致非揮發性記憶體單元之長壽命及應變誘導層30中誘導之應變被傳送至壓磁層20之一大傳送。尤其在第一實施例之情況中，可期望應變誘導層30與壓磁層20之間之一低晶格失配。此係因為當在第一電極50與 第二電極60之間未施加電位差時，可期望壓磁層20中存在極小應變或不存在應變。當未施加電位差時，存在壓磁層20之零磁化(或由相鄰鐵電應變誘導層之自發電極化或起因於應變誘導層30與壓磁層20之間之晶格失配之殘餘應變誘導之一小磁化)且在第一電極50與第二電極60之間未施加電位差時可期望在第一實施例中在壓磁層20中具有儘可能低的磁化。當在第一電極50與第二電極60之間施加零電位差時，應變誘導層30與壓磁層20之間之任何失配可導致壓磁層20中之一應變。只要第一電極50與第二電極60之間存在零電位差下壓磁層20中之任何磁化，導致儲存層10中可接受之一磁場(其低於儲存層10之矯頑場)。
可藉由改變生長條件及組合物而調整應變誘導層30及壓磁層20(及在其他層之間)之晶格常數(如下文中描述)。以此方式，可調整各個層之間之晶格失配。可期望地，儲存層10與壓磁層20之間及/或壓磁層20與應變誘導層30之間及/或第一電極50或第二電極60與其相鄰層之間之晶格失配小於1%、更期望小於0.5%。此不僅導致如別處描述之一長持久裝置及其他所要性質，而且意謂可開發具有一高度穩健性之橫向及垂直延伸之記憶體單元之一二維或甚至三維陣列。
現將參考圖6詳細描述本發明之第一實施例之操作。圖6之實施例使用圖2中圖解說明之原理。即，為將資料寫入至儲存層10，在某一方向上在第一電極50與第二電極60之間施加一電位差以便使應變誘導層30收縮或膨脹且藉此在壓磁層20中施加一收縮或拉伸應變。當在壓磁層20中誘導一應變時，將在壓磁層20中在根據該應變是否係拉伸或壓縮之一方向上產生磁化。透過壓磁層20與儲存層10之間之偶極耦合，將根據在第一類型之效應中壓磁層20之磁化方向切換儲存層10之自發磁化。以此方式， 可藉由在第一電極50與第二電極60之間施加一正或負電位差而改變儲存層10中之磁化方向。
當移除第一電極50與第二電極60之間之電位差時，應變誘導層30返回至其原始形狀且壓磁層20中之應變亦返回至其原始位準(接近零，尤其在壓磁層20與應變誘導層30之間存在低晶格失配之情況下)。因此，一旦已移除第一電極50與第二電極60之間之電位差，便無磁化保留在壓磁層中。
在壓磁層20中之磁化可忽略之情況下，且假定壓磁層20與儲存層10之間不存在交換偏壓效應，儲存層10之磁化藉由鐵磁儲存層(假定無外部磁場)之磁各向異性(矯頑場)保持固定且此係第二類型之效應。
在一實施例中，為避免壓磁層20與儲存層10之間之交換偏壓，可在儲存層10與壓磁層20之間提供一(金屬)非磁性層15。非磁性層15可相對較薄(奈米級)。對於此一薄層，材料之晶格常數將匹配相鄰層(壓磁層20及儲存層10)之晶格常數使得非磁性層15之存在將不會誘導應變。非磁性層15防止儲存層10與壓磁層20之間之交換偏壓。防止該兩個層之間之交換偏壓意謂在移除壓磁層20中之磁化時，儲存層10中之任何磁化未受影響。
即使在移除第一電極50與第二電極60之間之電位差之後一小磁化保留在壓磁層20中，只要起因於層20之磁化之作用於儲存層10之任何磁場低於儲存層10之矯頑場，儲存層10之磁化將不發生變化。因此，第一實施例利用儲存層10之鐵磁材料之磁各向異性(磁晶體及形狀各向異性之組合)。各記憶體位元之橫向尺寸小於典型磁疇大小，因此假定儲存層10處於其中藉由磁各向異性判定矯頑場之一單疇狀態。
為改變儲存於儲存層10中之資料(磁化方向)，在第一電極50與第二電極60之間施加與先前施加之電位差方向相反的一電位差。此在應變誘導層30中及藉此在壓磁層20中誘導相反的一拉伸或壓縮應變且因此產生方向相反之磁化。藉此，經由偶極耦合，改變儲存層10中之磁化方向。
在第一實施例中，較佳反鈣鈦礦壓磁材料係Mn3SnN或基於Mn3SnN，此係因為根據圖2之此材料展現隨著應變之最大變化誘導磁場。材料可藉由改變其化學組合物(例如，Mn3-xAxSn1-yByN1-z，其中A及B係選自包含以下各者之清單之一或多個元素：Ag、Al、Au、Co、Cu、Fe、Ga、Ge、In、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Sb、Si、Sn、Zn)而經最佳化以具有一所要晶格參數及壓磁性質。其亦可自不同於Mn3SnN之其他反鈣鈦礦衍生。一般而言，其可係具有室溫下之壓磁性及與其他層之良好晶格匹配之任何材料。
在一實施例中，壓磁層20與應變誘導層30之一表面接觸。在一實施例中，非磁性層15與壓磁層20接觸。在一實施例中，儲存層10與非磁性層15接觸。在一實施例中，第一電極50與儲存層10接觸。在一實施例中，第二電極60與應變誘導層30接觸。
在一實施例中，儲存層10係鈣鈦礦或反鈣鈦礦材料，舉例而言Co3FeN。可在自身形成於一基板(舉例而言MgO、SrTiO3、Nb：SrTiO3或Si之一基板)上之一電極上形成應變誘導層30。在一實施例中，基板具有匹配該等電極及應變誘導層30之晶格參數。在一實施例中，可使用在其上生長層之基板(舉例而言Nb：SrTiO3或摻雜Si)作為電極且無需一分開電極。
第一電極50可由一金屬或一導電鈣鈦礦(諸如Nb：SrTiO3或SrRuO3)製 成。第二電極60可由Nb：SrTiO3或SrRuO3製成。
為讀取儲存於儲存層10中之資料，利用磁電容效應。反鈣鈦礦壓磁材料之一進一步性質係其等硬度由於歸因於磁彈性耦合而存在於其等中之磁場而改變。甚至在零應變下，儲存層10中之磁化之存在導致壓磁層20中之一磁場。相較於在壓磁層20中不存在磁場時，壓磁層20中之磁場導致壓磁層20之彈性之變化。壓磁層20中之彈性之變化可經量測為由層20、30及60形成之電容器之磁電容之變化。磁電容之變化係不對稱的，此意謂所量測容量對於儲存層10中之兩個相反磁化對準係不同的。因此，藉由量測由層20、30及60形成之電容器之磁電容，可判定儲存層10中之磁化方向。藉此，藉由量測第一電極50與第二電極60之間之磁電容，可判定儲存層10中之磁化方向。
量測第一電極50與第二電極60之間之磁電容之一個方式包括在第一電極50與第二電極60之間施加一交流電壓及量測回應(電抗)。此在下文中參考圖10進一步說明。
藉此僅運用兩個電極，可寫入至儲存層10且自儲存層10讀取而無需一電晶體且無需一第三電極或更多電極。此係可期望的，因為包括本發明之複數個非揮發性記憶體單元之二維或三維記憶體之設計係可行的，其等在設計上尤其緊緻及簡單。
現將參考圖7描述一第二實施例。第二實施例與第一實施例相同，惟如下文描述除外。
第二實施例依賴於壓磁層20之行為，如圖3至圖5中圖解說明。即，壓磁層20之性質藉由在其中誘導一應變(且藉此將奈耳溫度改變成低於壓磁層20經歷之溫度)而自反鐵磁性行為(第二類型之效應)切換至順磁性行 為(第一類型之效應)。在第二實施例中，省略第一實施例之非磁性層15。因此，當壓磁層係反鐵磁性時(例如，當在第一電極50與第二電極60之間未施加電位差時)，儲存層10與壓磁層20之間存在一交換偏壓。
當在第一電極50與第二電極60之間施加一電位差時，在壓磁層20中由應變誘導層30誘導之應變有效地降低壓磁層20之奈耳溫度使得反鈣鈦礦壓磁層20變成順磁性。當壓磁層20係順磁性時，壓磁層20與儲存層10之間不存在交換偏壓。然而，當壓磁層20係反鐵磁性時(例如，在電位差被關閉之後)，壓磁層20與儲存層10之間存在一交換偏壓。當壓磁層20與儲存層10之間存在一交換偏壓時，儲存層10之磁化方向係固定的，即使存在強度大於矯頑場之一磁場。層20可取決於在層20轉變成反鐵磁性時存在之層10之磁性狀態而將層10之磁化固定至至少兩個不同方向。
第二實施例藉此在第一層50與第二層60之間施加一電位差以在壓磁層20中誘導一應變(透過應變誘導層30)以在傾斜反鐵磁性與順磁性之間改變壓磁層20之性質。一旦壓磁層20係順磁性的，便可改變儲存層10中之磁化方向。此可舉例而言使用一外部磁場來達成。為了此目的，舉例而言，可提供誘導一磁場之至少一個額外電極70或一垂直磁化層70。個別額外電極70可在兩個或兩個以上記憶體單元上全域作用，或局部作用於一單一記憶體單元。替代地，包含具有垂直於儲存層10之磁化之恆定磁化之一額外層以在儲存層10針對其進動週期之一半變成解除釘紮時誘導儲存層10之磁化之進動式切換。此進一步機制在其中壓磁材料20在一寫入程序中被製成順磁性以便解除釘紮儲存層10之實施例中係有利的。藉由使用電極70在儲存層10中誘導一磁場，儲存層10之磁化方向可改變。在儲存層10中之磁化方向已改變以藉此將資料寫入至儲存層10之後，移除跨第一 電極50及第二電極60施加之電位差。藉此壓磁層20之奈耳溫度升高至超過環境溫度使得壓磁層20充當一反鐵磁體。當壓磁層20充當一反鐵磁體時，儲存層10之磁化(在此情況中，磁性自旋極化)方向歸因於壓磁層20與儲存層10之間之交換偏壓相互作用而固定。藉此，即使使用磁化電極70將資訊寫入至一相鄰非揮發性記憶體單元且磁場延伸至所考量記憶體單元之儲存層10中，所考量記憶體單元之儲存層10之磁化方向將不改變。
在第二實施例中，藉由使用磁電容效應以與第一實施例相同之方式自非揮發性記憶體單元讀取資料。然而，在此情況中，藉由將低於TN之一應變施加至層20而使儲存層中之磁化方向反轉且接著在使儲存層10反轉之後，施加一快速應變脈衝以將壓磁層20轉變成順磁性且藉此重設釘紮方向而不改變儲存層10之新磁化方向。
在第二實施例中，最佳反鈣鈦礦壓磁材料係Mn3GaN或Mn3NiN，或基於Mn3GaN或Mn3NiN之材料，諸如(例如)Mn3-xAxGa1-yByN1-z或Mn3-xAxNi1-yByN1-z，其中A及B係選自包含以下各者之清單之一或多個元素：Ag、Al、Au、Co、Cu、Fe、Ga、Ge、In、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Sb、Si、Sn、Zn，此係因為此等材料在零應變下具有大致等於環境溫度及記憶體操作之溫度之一奈耳溫度。較佳地，壓磁材料具有隨應變變化之一奈耳溫度且其中在應變自+30%變化至-30%、較佳自+10%變化至-10%、最佳自+1%變化至-1%時奈耳溫度超過293k。若使用此一材料，則不必加熱或冷卻非揮發性記憶體單元，此係因為可在環境溫度下實現奈耳溫度之變化。
現將參考圖8描述一第三實施例。第三實施例與第一實施例及第二實施例相同，惟如下文中描述除外。在第三實施例中，非揮發性記憶體單元 包括與第二實施例之單元完全相同之層，惟無需之層10及70除外。代替地將資訊儲存於鐵電層300中。
在第三實施例中，儲存層係一鐵電層300(如在第一實施例及第二實施例中，但現無需額外壓電性質)，其中資料可記錄為一電極化方向。可藉由在第一電極50與第二電極60之間施加一電位差而將資料寫入至非揮發性電記憶體單元。此可取決於所施加電位差之極性而切換鐵電層300中之一電極化。一旦歸因於鐵電材料之電磁滯而移除第一電極50與第二電極60之間之電位差，電極化便將保持均勻。
鐵電層300中之電極化在壓磁層20中誘導一磁矩。此磁矩導致由層20、300及60形成之電容器之磁電容之變化，可以與第一實施例及第二實施例中相同之方式量測該變化。如在第一實施例及第二實施例中，經判定磁電容可與極化(在第三實施例之情況中，電)方向相關。藉此，可讀取儲存於鐵電層300中之資料。
繼與第一實施例及第二實施例之情況中相同之步驟，可非破壞性地且在各位元處無一電晶體之情況下完成具有橫桿幾何形狀之一N×N陣列中之記憶體位元之讀取及寫入，如下文參考圖9至圖12描述。
全部實施例抵抗結構疲勞且在此方面比典型快閃記憶體具更佳數量級。與第三實施例相比，第一實施例及第二實施例更抵抗結構疲勞。
在第三實施例中，鐵電層300可與壓磁層20接觸。在一實施例中，鐵電層300由鈣鈦礦鐵電材料(舉例而言PbTiO3、SrTiO3、BaTiO3、BaxSr1-xTiO3、Ba(ZrxTi1-x)TiO3)形成。壓磁層20可由任何基於Mn之反鈣鈦礦材料(諸如Mn3SnN、Mn3GaN或Mn3NiN，或基於Mn3SnN、Mn3GaN或Mn3NiN之材料)形成，如上文中描述。
本發明之非揮發性記憶體單元具有容易併入至二維或三維陣列中之優點。
圖9係根據一實施例之磁性記憶體單元之一二維陣列之一透視示意圖。如可見，將根據第一實施例或第二實施例之複數個非揮發性記憶體單元放置成一二維陣列。第一電極50及第二電極60呈帶之形式。複數個第一電極及第二電極在正交方向上延伸且各電極連接至沿著電極50、60之長度延伸之複數個記憶體單元。各記憶體單元藉此可藉由在於一第一方向上延伸之電極50與於正交方向上延伸之第二電極60之間施加一電位差而分別定址，如上文中針對各實施例描述(圖10及圖11分別展示在第一及第三實施例及第二實施例中施加之電位差之細節)。以此方式，可組裝一密集堆積二維非揮發性記憶體，其中個別記憶體單元可分別定址且其中無需電晶體讀取資料或將資料寫入至個別記憶體單元。
如上文中說明，在第一實施例中，儲存層10之磁化藉由平行(狀態1)或反平行(狀態0)於壓磁層20之小磁化之矯頑場保持鎖定。各對準狀態導致壓磁層20之一不同磁性狀態且藉此導致可藉由磁電容量測偵測之不同彈性性質。此寫入機制允許整合在一N×N陣列中之個別位元之定址，其中各位元連接至N個頂部導線之一者且連接至N個底部導線之一者。頂部及底部導線集合彼此垂直(橫桿幾何形狀)，如圖9中圖解說明。圖10展示如何寫入根據第一實施例之一記憶體單元之一記憶體位元之狀態(相同原理適用於第三實施例，但具有不同分層結構)。將DC電位Vtop及Vg分別施加至接觸所關注記憶體單元之頂部導線及底部導線。將一較小DC電位(例如，Vtop/3)施加至其餘頂部導線且例如將2*Vtop/3施加至其餘底部導線。此導致所關注記憶體位元處之一大電壓(Vtop，其中Vg=0係接地)，其在壓磁層 20中誘導一應變，該應變繼而誘導足夠大以克服儲存層10之矯頑場且切換其磁化的一磁化。陣列之全部其他個別記憶體單元經受一電壓，其僅係切換電壓(Vtop)之三分之一(2*Vtop/3-Vtop/3=Vtop/3)，因此其等狀態未受影響(低於由矯頑場設定之一臨限值之一電壓)。
為讀取資訊，如圖12中圖解說明，將一小AC電壓施加至電容器之極板(壓磁層20及底部接觸層60)，其不夠大以誘導可更改儲存層10之磁性狀態之一應變但允許電抗及藉此記憶體位元之容量之量測。容量取決於絕緣應變誘導層30之相對介電常數及尺寸，其繼而取決於壓磁層20之彈性性質(其取決於儲存層10中之磁化(或案例3中之鐵電層300中之極化)之對準)。此讀取機制允許整合在上文中描述之N×N陣列中之個別位元之定址。為讀取一記憶體位元，將一AC電壓施加至接觸相關記憶體位元之頂部導線及底部導線且將具有相反相位之一AC電壓施加至未接觸相關記憶體位元之全部導線。藉此，在任何時間點，連接至與相關記憶體位元相同之導線之任何位元處之電壓係零且任何其他位元處之電壓具有與所關注記憶體位元處之電壓相同之大小但相反之極性。因此，所關注記憶體位元之容量可經讀取而不受來自連接至相同導線之其他位元之信號之影響且不影響任何位元之記憶體狀態(非破壞性讀出)。
替代地，壓磁層之兩個磁性狀態之間之磁電容之差可經判定為其中單一記憶體單元係電容器且電感器處在記憶體陣列外部之一控制單元中之一電路之一諧振頻率之偏移。
為寫入具有上文中描述之橫桿幾何形狀之一N×N陣列中之第二實施例之一特定記憶體位元之狀態，如圖11中圖解說明般，將DC電位Vtop及Vg分別施加至接觸特定記憶體位元之頂部導線及底部導線。將一相反電壓 施加至未接觸特定記憶體位元之全部導線(將Vtop施加至底部導線且將Vg施加至頂部導線)。此導致特定記憶體位元處之一大電壓(Vtop-Vg)，其在壓磁層20中誘導一應變，該應變將該層轉變成順磁性，因此特定記憶體位元可由一外部磁場(圖11中未圖解說明)寫入。陣列之全部其他記憶體位元經受零電壓或具有相反極性之相同電壓(Vg-Vtop)，因此其等奈耳溫度甚至高於環境溫度且其等儲存層之磁化係固定的。
第二實施例之N×N陣列中之讀取與在參考圖12描述之第一實施例及第三實施例之情況中相同。
在第三實施例中，如在第一實施例之情況中，藉由施加一DC電壓而完成寫入。然而，此時電壓必須足夠大以在鐵電層300中在一第一方向與一第二方向之間切換一選定位元之一鐵電極化以藉此將資料寫入至記憶體單元，鐵電層300在第一方向上之鐵電極化在反鈣鈦礦壓磁層20中誘導一第一磁性狀態且鐵電層300在第二方向上之鐵電極化在反鈣鈦礦壓磁層20中誘導一第二磁性狀態；施加至其餘位元之電壓不足以切換其等電極化；接著移除電壓，此不影響鐵電極化。讀取方法包括以下步驟：如圖12中圖解說明，如第一類型之實施例中般將一AC電壓施加至2D記憶體陣列以量測選定記憶體單元之一磁電容，在任何時間點施加至連接至相同導線之其餘單元之電壓係零。選定記憶體位元在壓磁層之第一磁性狀態中之磁電容不同於在第二磁性狀態中之磁電容，藉此允許讀取儲存於儲存層中之資料。
對於全部實施例而言，由於個別層之間之低晶格失配，可使用類似原理來構建一三維記憶體陣列，其中使用記憶體單元之層之間之電極來定址該電極之兩側上之記憶體單元。為能夠到達在x-y方向上通過之電極，層在x方向及y方向上之寬度隨高度而減小。在圖13中示意性地圖解說明 此一記憶體。
二維及三維陣列之其他配置係可行的且在熟習此項技術者之範疇內。
可使用針對所需層最佳化之任何薄膜沈積方法來製造此裝置之多層。舉例而言，可使用一脈衝雷射沈積(PLD)。各薄膜之例示性生長條件如下。
步驟1：基板選擇及清潔。
可使用任何適合氧化物基板(例如，MgO、SrTiO3、Nb：SrTiO3、(LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7)或Si作為基板。在生長之前用一標準溶劑清潔程序清潔基板。標準溶劑清潔程序可係用丙酮、接著異丙醇且最後蒸餾水之一超聲波浴中之一三分鐘清潔，在各溶劑步驟之後用N2吹乾。在一實施例中，基板可變成底部電極60。
步驟2：多層生長(PLD及磁控管濺鍍)。
藉由PLD使用KrF準分子雷射(λ=248nm)沈積薄膜。藉由在10Hz下具有0.8J/cm2之流量之一雷射分別燒蝕SrRuO3、Nb：SrTiO3、BaTiO3、BaxSr1-xTiO3、BaZrxTi1-xO3、Mn3SnN及Mn3GaN之化學計量單相標靶。
層1-第二電極60-在50至300毫托之O2分壓下在700℃至780℃下生長100nm SrRuO3薄膜。在沈積之後，隨後在600托之O2分壓下在生長溫度下對所生長膜原位後退火達20分鐘。接著，在600托之O2分壓下以10℃/min將樣本冷卻至室溫。
或在0至60毫托之O2分壓下在700℃下生長之100nm Nb：SrTiO3薄膜。在生長之後，在600托之O2分壓下以10℃/min將樣本冷卻至室溫。
層2-應變誘導層30之壓電材料-在150至300毫托之O2分壓下在750℃ 至800℃下生長100nm BaTiO3(BaxSr1-xTiO3或BaZrxTi1-xO3)薄膜。在生長之後，在600托之一O2分壓下以10℃/min將樣本冷卻至室溫。
層3-Mn3XN之壓磁層20，其中X係任何適合元素-舉例而言，在0至12毫托之N2分壓下在300℃至550℃下生長100nm Mn3SnN薄膜。在生長之後，在0至12毫托之N2分壓下以10℃/min將樣本冷卻至室溫。
或在0至12毫托之N2分壓下在300℃至550℃下生長之100nm Mn3GaN。在生長之後，在0至12毫托之N2分壓下以10℃/min將樣本冷卻至室溫。
間隔層(僅針對實施例1)-非磁性層15之鈣鈦礦順磁體-藉由DC磁控管濺鍍在一樣本(包括基板、層60、30及20)上生長1至2nm鉑(Pt)薄膜。樣本在超高真空中經加熱至800℃且退火達1小時。Pt薄膜在100W DC電力下沈積。在生長之後，在真空下以10℃/min將樣本冷卻至室溫。
層4-儲存層10之鐵磁材料-在300℃至500℃下藉由RF磁控管濺鍍自Co3Fe標靶在其中N2氣體之體積濃度處於5%至15%之一範圍中之5至20毫托Ar+N2氣體混合物氛圍中生長20nm至50nm Co3FeN薄膜。在生長之後，以10℃/min將樣本冷卻至室溫。
層5-第一電極50-100nm之一金屬(舉例而言Pt、Au)或一導電鈣鈦礦薄膜(舉例而言SrRuO3、Nb：SrTiO3)。
藉由DC磁控管濺鍍生長100nm Pt薄膜。樣本在超高真空中經加熱至800℃且退火達1小時。Pt薄膜在100W DC電力下沈積。在生長之後，在真空下以10℃/min將樣本冷卻至室溫。
或在50至300毫托之O2分壓下在700℃至780℃下生長100nm SrRuO3薄膜。在沈積之後，隨後在600托之O2分壓下在生長溫度下對經生 長膜原位後退火達20分鐘。接著，在600托之O2分壓下以10℃/min將樣本冷卻至室溫。
或在0至60毫托之O2分壓下在700℃下生長之100nm Nb：SrTiO3薄膜。在生長之後，在600托之O2分壓下以10℃/min將樣本冷卻至室溫。
步驟3：光微影。
已實施一標準光微影程序以施加一陣列圖案。對於2D裝置，全部層可經沈積且接著圖案化。對於3D堆疊裝置，各記憶體單元層必須在沈積下一層之前圖案化。
步驟4：蝕刻。
實施用以移除材料且將圖案自光微影轉印至樣本上之一標準氬離子研磨程序，或任何其他適合化學或物理蝕刻技術。

Claims (28)

  1. 一種非揮發性記憶體單元，其包括：一儲存層，其包括一鐵磁材料，其中資料可記錄為一磁化方向；一壓磁層，其包括一反鈣鈦礦壓磁材料，其取決於該壓磁層中之應變而選擇性地具有對該儲存層之一第一類型之效應及對該儲存層之一第二類型之效應；及一應變誘導層，其用於在該壓磁層中誘導一應變以藉此自該第一類型之效應切換至該第二類型之效應。
  2. 如請求項1之非揮發性記憶體單元，其中該第一類型之效應係其中該壓磁層之一凈磁化足夠強以克服該儲存層中之矯頑場且使該儲存層之該磁化透過偶極耦合而與該壓磁層之該磁化對準之效應，且該第二類型之效應係其中歸因於該壓磁層中之任何磁化之該儲存層中之任何磁場低於該儲存層之該矯頑場之效應。
  3. 如請求項1或2之非揮發性記憶體單元，其進一步包括該儲存層與該壓磁層之間之用於防止該儲存層與該壓磁層之間之一交換偏壓之一非磁性層。
  4. 如請求項1或2之非揮發性記憶體單元，其中該反鈣鈦礦材料具有+/- 30%之應變下大於350K之一奈耳溫度。
  5. 如請求項1或2之非揮發性記憶體單元，其中該反鈣鈦礦壓磁材料係基於Mn3SnN。
  6. 如請求項1之非揮發性記憶體單元，其中該第一類型之效應係其中該壓磁層處於順磁性狀態且不存在該儲存層與該壓磁層之間之交換偏壓相互作用藉此允許藉由一外部磁場改變該儲存層之該磁化方向之效應，且該第二類型之效應係其中該壓磁材料處於反鐵磁性狀態且藉由該壓磁層釘紮該儲存層之該磁化方向之一交換偏壓相互作用。
  7. 如請求項6之非揮發性記憶體單元，其中該反鈣鈦礦壓磁材料具有隨應變而變化之一奈耳溫度且其中在該應變自+30%變化至-30%時該奈耳溫度超過293K。
  8. 如請求項6或7之非揮發性記憶體單元，其中該反鈣鈦礦壓磁材料係基於Mn3GaN或Mn3NiN。
  9. 如請求項6或7之非揮發性記憶體單元，其進一步包括用以施加定位成相鄰於該儲存層之一磁場以改變該儲存層之一磁化方向之至少一個額外電極。
  10. 如請求項1或2之非揮發性記憶體單元，其中該應變誘導層係一壓電層及/或一鈣鈦礦材料。
  11. 如請求項1或2之非揮發性記憶體，其中該儲存層與該壓磁層之間及/或該壓磁層與該應變誘導層之間之一晶格失配小於1%。
  12. 如請求項1或2之非揮發性記憶體，其中該儲存層具有一鈣鈦礦或反鈣鈦礦結構。
  13. 如請求項1或2之非揮發性記憶體單元，其進一步包括：一第一電極，其在與該壓磁層相對之一側上連接至該儲存層。
  14. 如請求項1或2之非揮發性記憶體單元，其進一步包括：一第二電極，其在與該壓磁層相對之一側上連接至該應變誘導層。
  15. 如請求項13之非揮發性記憶體單元，其中該第一電極與其相鄰層之間之該晶格失配係1%或更小。
  16. 一種二維記憶體單元陣列，其包括一二維陣列中複數個如請求項1至15中任一項之非揮發性記憶體單元。
  17. 一種三維記憶體單元陣列，其包括一三維陣列中複數個如請求項1至15中任一項之非揮發性記憶體單元。
  18. 一種將資料寫入至一非揮發性記憶體單元且自該非揮發性記憶體單元讀取資料之方法，該方法包括以下步驟： 提供該非揮發性記憶體單元，該非揮發性記憶體單元包括：一儲存層，其包括一鐵磁材料，其中資料可記錄為一磁化方向；一壓磁層，其包括一反鈣鈦礦壓磁材料，其取決於該壓磁層中之應變而選擇性地具有對該儲存層之一第一類型之效應及對該儲存層之一第二類型之效應；及一應變誘導層，其用於在該壓磁層中誘導一應變以藉此自該第一類型之效應切換至該第二類型之效應；在該儲存層中於一第一或第二方向上誘導一極化以藉此將資料寫入至該記憶體單元，該儲存層在該第一方向上之極化在該反鈣鈦礦壓磁層中誘導一第一磁性狀態，且該儲存層在該第二方向上之極化在該反鈣鈦礦壓磁層中誘導一第二磁性狀態：及量測該記憶體單元之一磁電容，該反鈣鈦礦壓磁層在該第一磁性狀態中之該磁電容不同於在該第二磁性狀態中之該磁電容，以藉此讀取儲存於該儲存層中之該資料。
  19. 如請求項18之方法，其中該量測包括跨該儲存層及反鈣鈦礦層施加一交流電壓及判定該記憶體單元之一電抗及藉此該磁電容。
  20. 如請求項18之方法，其中該量測包括判定該記憶體單元之諧振頻率之偏移。
  21. 如請求項18、19或20之方法，其中該儲存層包括一鐵磁材料，且該極化係一磁極化。
  22. 如請求項21之方法，其中藉由在該反鈣鈦礦壓磁層中誘導足夠強以使該儲存層之該磁極化透過偶極耦合而與該反鈣鈦礦壓磁層之該磁化對準的一磁化而執行該誘導。
  23. 如請求項22之方法，其中該非揮發性記憶體單元進一步包括一應變誘導層且藉由使用該應變誘導層在該反鈣鈦礦壓磁層中誘導一應變而達成誘導該反鈣鈦礦壓磁層中之一磁化。
  24. 如請求項21之方法，其中該誘導包括使用一磁化電極誘導該儲存層中之一磁化。
  25. 如請求項24之方法，其中該誘導進一步包括在該反鈣鈦礦壓磁層中誘導一應變以藉此將該反鈣鈦礦壓磁層轉變為順磁性。
  26. 如請求項25之方法，其中該非揮發性記憶體單元進一步包括一應變誘導層且藉由該應變誘導層完成該誘導一應變。
  27. 如請求項18、19或20之方法，其中該儲存層包括一鐵電材料，且該極化係一電極化。
  28. 如請求項18、19或20之方法，其中該非揮發性記憶體單元包括在與該儲存層相對之一側上連接至該反鈣鈦礦壓磁層之一第一電極及在與該反 鈣鈦礦壓磁層相對之一側上連接至該儲存層之一第二電極，且該誘導包括跨該第一電極及該第二電極施加一電位差，且該量測包括量測該第一電極與該第二電極之間之該磁電容。
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