專利名稱：磁電隨機存儲單元及具有其的磁電隨機存儲器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及隨機存儲技術領域，特別涉及一種磁電隨機存儲單元及具有其的磁電隨機存儲器。
背景技術：
鐵電隨機存儲器是一種具有寫入速度快、功耗低等優(yōu)勢的非易失性存儲器件，其利用鐵電材料的鐵電極化方向實現數據存儲。磁性隨機存儲器也是一種非易失性存儲器， 其利用磁阻效應實現數據存儲。鐵電隨機存儲器存在的問題是，隨著時間的延長，存儲器中鐵電薄膜的剩余極化強度逐漸變小，導致存儲器無法正確區(qū)分“0”和“ 1，，兩種極化狀態(tài)而失效。磁性隨機存儲器的工作原理是，利用位線和數據線通過的電流產生磁場，通過磁場使得鐵磁自由層中的磁化狀態(tài)發(fā)生旋轉，使得鐵磁自由層與鐵磁固定層之間的磁化方向夾角發(fā)生變化，從而在磁隧道結構中產生高、低兩個阻態(tài)，對應于數據的“0”、“1”兩個狀態(tài)。 磁性隨機存儲器存在的問題是，隨著存儲密度的提高，存儲器單元體積的縮小，由于鐵磁自由層存在磁缺陷，在實際操作過程中，需要更強的磁場才能使得鐵磁自由層的磁化方向反轉，這意味著需要增加位線和信號線上的電流來增加磁場，從而導致寫入數據的功耗增加， 而且容易對鄰近存儲單元的存儲狀態(tài)產生影響。為了克服磁性隨機存儲器的缺點，提出了一種自旋力矩轉移-磁性隨機存儲器， 利用自旋電流直接對磁性隨機存儲單元中的鐵磁自由層進行狀態(tài)寫入操作，而不需要以產生磁場作為間接手段，從而可以解決磁性隨機存儲器提高密度難的問題，同時在一定程度上也可以減小功耗，但是，由于采用電流方式進行狀態(tài)寫入，該存儲器可以預見的功耗仍將高于采用電壓方式進行狀態(tài)寫入的諸如鐵電隨機存儲器、磁電隨機存儲器等存儲器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一。為此，本發(fā)明的第一個目的在于提供一種磁電隨機存儲單元，該磁電隨機存儲單元利用磁電效應原理，通過施加在鐵電氧化物層上的電場調控鐵磁自由層的磁化方向，從而使得電阻產生變化。本發(fā)明的第二個目的在于提供一種具有上述磁電隨機存儲單元的磁電隨機存儲
ο為達到上述目的，本發(fā)明第一方面的實施例提出一種磁電隨機存儲單元，包括底電極層；形成在所述底電極層之上的鐵電氧化物層；形成在所述鐵電氧化物層之上的鐵磁自由層；形成在所述鐵磁自由層之上的隔離層；和形成在所述隔離層之上的鐵磁固定層， 其中，所述鐵磁自由層、所述隔離層和所述鐵磁固定層構成具有磁阻效應的夾層結構，所述鐵磁自由層和所述底電極層分別作為所述鐵電氧化物層的上下電極而對所述鐵電氧化物層施加電場，其中所述電場的方向垂直于所述鐵電氧化物層，所述鐵電氧化物層在所述電場的作用下通過磁電耦合控制所述鐵磁自由層中磁化方向轉動以使得所述夾層結構的電阻變化。在本發(fā)明的一個實施例中，所述磁電隨機存儲單元還包括一層或多層反鐵磁釘扎層，所述反鐵磁釘扎層設置在所述鐵磁固定層的上方，用于固定所述鐵磁固定層中的磁化方向。在本發(fā)明的一個實施例中，所述鐵電氧化物層包括以下材料中的任一種具有或(111)取向的鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鐵酸鉍、鈦酸鉍-鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛和鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛。在本發(fā)明的一個實施例中，所述鐵磁固定層和/或所述鐵磁自由層包括以下材料中的一種或幾種鐵、鎳、鈷、鎳鐵合金、鈷鐵合金、鎳鐵鈷合金和其他含有鐵、鈷、鎳的合金。在本發(fā)明的一個實施例中，所述隔離層由非磁性材料構成。具體地，所述非磁性材料包括銅、鉻、含有銅和鉻的合金、氧化鋁和氧化鎂。在本發(fā)明的一個實施例中，所述反鐵磁釘扎層包括以下材料中的任一種鐵錳合金、鎳錳合金、鉬錳合金和其他含有錳的合金材料。本發(fā)明第二方面的實施例提出了一種磁電隨機存儲器，包括磁電隨機存儲單元陣列，包括多個本發(fā)明第一方面實施例的磁電隨機存儲單元；多個訪問晶體管，每個所述訪問晶體管與每個所述磁電隨機存儲單元的底電極層相連，且每個所述訪問晶體管具有源極、柵極和漏極；多根字線，每根所述字線與每個所述訪問晶體管的柵極相連，用于控制所述訪問晶體管的源極和漏極之間的通斷；多根板線，所述板線與所述字線平行，且每根所述板線與每個所述磁電隨機存儲單元的底電極層相連；多根第一位線，所述第一位線與所述字線垂直，且每根所述第一位線與每個所述磁電隨機存儲單元的鐵磁固定層相連；多根第二位線，所述第二位線與所述字線垂直，且每根所述第二位線與每個所述訪問晶體管的源極相連；以及多根互聯線，每根所述互聯線的一端與每個所述訪問晶體管的漏極相連，每根所述互聯線的另一端與每個所述磁電隨機存儲單元的鐵磁自由層相連。在本發(fā)明的一個實施例中，當進行寫操作時，所述字線控制相應訪問晶體管的源極與漏極導通，并在相應的第二位線和板線之間施加電壓以在所述鐵電氧化物層和所述鐵磁自由層之間發(fā)生磁電耦合，控制所述鐵磁自由層的磁化方向發(fā)生偏轉。在本發(fā)明的一個實施例中，當進行讀操作時，通過所述第二位線和所述第一位線讀取所述磁電隨機存儲單元的存儲信息。在本發(fā)明的一個實施例中，所述磁電隨機存儲器還包括與所述多根字線相連的位線選擇電路，用于選定所述磁電隨機存儲器中的磁電隨機存儲單元。本發(fā)明實施例采用多鐵性磁電復合薄膜結構作為磁電隨機存儲元器件的主要部分，利用鐵電氧化物層與鐵磁自由層之間的磁電耦合效應，通過電場對鐵磁自由層中磁化方向進行調制，實現了用電場寫入信息數據，與磁性隨機存儲器相比，降低了寫入功耗，同時由于沒有寫入電流磁場的空間作用對鄰近存儲單元的干擾，可以縮小存儲單元之間的距離，提高存儲密度。本發(fā)明實施例提出的磁電隨機存儲器具有非易失性、寫入功耗抵、存儲單元相互之間干擾小的特點，并且還可以提高存儲密度。此外，本發(fā)明實施例使用底電極層和鐵磁自由層作為鐵電氧化物層的上下電極而施加垂直電場，布局合理，節(jié)省了空間，同時減少了磁電隨機存儲器中所使用的連通線的個數。
本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為發(fā)明一個實施例的磁電隨機存儲單元的結構示意圖；圖2為本發(fā)明另一個實施例的磁電隨機存儲單元的結構示意圖；圖3為本發(fā)明一個實施例的磁電隨機存儲器的結構示意圖；圖4為本發(fā)明一個實施例的磁電隨機存儲器的結構剖面示意圖，其中圖如示出主視狀態(tài)下的剖面結構，圖4b示出左視狀態(tài)下的剖面結構；圖5為本發(fā)明一個實施例的磁電隨機存儲器的電路圖；圖6為顯示對磁電隨機存儲單元進行信息寫入操作的時序圖；以及圖7為本發(fā)明一個實施例中磁電隨機存儲單元隨電場作用下電阻阻值的變化曲線圖。附圖標記說明I-磁電隨機存儲單元3-鐵電氧化物層5-隔離層7-夾層機構9-訪問晶體管11-漏極13-字線15-第一位線17-互聯線
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，術語“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。下面將參照附圖詳細描述根據本發(fā)明實施例的結構和方法。本發(fā)明主要在于通過磁電效應原理控制復合薄膜結構單元的電阻變化，從而克服現有磁性隨機存儲器利用電流產生磁場進行寫入操作而引起的過度功耗和對鄰近單元產生影響等問題。為了能夠更清楚地理解本發(fā)明，以下對磁電效應進行簡單介紹。磁電效應指的是在施加外電場作用下引起材料磁矩發(fā)生變化的多場耦合效應。多鐵性磁電復合材料指的是一類將具有鐵電性的材料和鐵磁性的材料按照一定的復合結構組合在一起的新
2-底電極層 4-鐵磁自由層 6-鐵磁固定層 8-反鐵磁釘扎層 10-源極 12-柵極 14-板線 16-第二位線材料，這類新材料具有磁電效應。對于多鐵性磁電復合薄膜而言，可以采用諸如脈沖激光沉積、磁控濺射等多種物理制備方法以及溶膠-凝膠法等化學制備方法進行制備，在合適的工藝工藝條件下可以使其具有磁電效應。2009年，清華大學J. M. Hu等人利用熱力學計算的方式證實了在下層為鐵電氧化物、上層為鐵磁合金薄膜的磁電雙層復合薄膜中，通過對鐵電氧化物施加電場，也可以致使鐵磁合金層的磁化方向在薄膜平面內發(fā)生偏轉，這一現象為典型的磁電耦合效應所致。2011年1月，美國加州大學洛杉磯分校的吳濤等人在Ni/
此外，所述底電極層2可使用本技術領域內公知的金屬或氧化物材料來形成。根據本發(fā)明的一個實施例，本發(fā)明還提供一種包括上述磁電隨機存儲單元1的磁電隨機存儲器。如圖5所示，該磁電隨機存儲器包括多個磁電隨機存儲單元1，以及多根字線13、多根與所述字線13平行的板線14、多根與所述字線13和板線14垂直的第一位線15 和第二位線16、多個訪問晶體管9以及多根互聯線17。更具體地，可參見圖3和圖4(圖4a、圖4b)所示，字線13與訪問晶體管9的柵極 12相連，用于控制訪問晶體管9的源極10和漏極11之間的通斷；第二位線16與訪問晶體管9的源極10相連；互聯線17的一端與訪問晶體管9的漏極11相連，另一端與磁電隨機存儲單元1的底電極層2相連；在字線13上通有高電平信號時，第二位線16與板線14之間的電壓信號可以直接作用在磁電隨機存儲單元1的鐵電氧化物層3上；其中，字線13上通有的高電平信號指的是超過可以使訪問晶體管9的源極10與漏極11之間相互導通所需閾值電壓的信號。磁電隨機存儲器的第一位線15與磁電隨機存儲單元1的鐵磁固定層6相連，第一位線15與第二位線16之間所包含的磁電隨機存儲單元1的鐵磁自由層4、隔離層5、鐵磁固定層6所構成的夾層結構7具有巨磁電阻效應或隧道磁阻效應，在字線13上通有高電平信號時，可以通過第一位線15與第二位線16探測該夾層結構7的電阻變化。寫入該磁電隨機存儲單元1的電壓信號通過第二位線16和板線14進行施加；讀取存儲器電阻變化信號的電路連接到第二位線18和第一位線15上；對磁電隨機存儲器中不同磁電隨機存儲單元1進行選擇的電路連接到字線13上。本發(fā)明實施例所提及的磁電隨機存儲器可以通過本領域所公知的與半導體工業(yè)相適應的工藝及方法進行沉積制備，例如物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、光刻等薄膜制備、刻蝕及布線等。當然，該磁電隨機存儲器件也可以通過其他的物理或者化學的薄膜制備方法進行沉積制備。存儲單元的寫入操作時，首先在所述字線13上施加高電平電壓，使訪問晶體管10 的源極10和漏極11之間相互導通。按照寫入數據不同，在第二位線16和板線14上施加寫入電壓，寫入電壓應當大于磁電隨機存儲單元1中鐵電氧化物層3的臨界開關電壓Ucr, 該電壓數據與鐵電氧化物層3、鐵磁自由層4所選擇的不同材料及尺寸有關，可以通過制備好的存儲單元結構實際測量獲得。例如，如果寫入數據為“1”，則在第二位線16上施加寫入電壓，板線14上維持OV電壓。鐵電氧化物層3在該寫入電壓作用下與鐵磁自由層4之間發(fā)生磁電耦合，使得鐵磁自由層4的磁化方向發(fā)生偏轉。如果寫入數據為“0”，則在板線 14上施加寫入電壓，在第二位線16上維持OV電壓。鐵磁自由層4的磁化方向回復原有與鐵磁固定層6磁化方向相平行的狀態(tài)。具體地，如圖6所示，在tl期間，如果要寫入的數據為“1”，那么將第二位線16的電壓升至Vs，如果要寫入的數據為“0”，那么第二位線16的電壓維持為0。在寫入過程的 t2期間，將字線13的電壓升至訪問晶體管9的閾值電壓Vg，第二位線16和鐵磁自由層4 連通，如果要寫入的數據為“ 1”，則鐵磁自由層4和底電極層2之間的電壓Vs，如果要寫入的數據為“0”，則鐵磁自由層4和底電極層2之間的電壓為0，鐵電氧化物層3維持原有狀態(tài)。在寫入過程的t3期間，給板線14施加一個脈沖電壓，脈沖電壓大小為Vs，如果要寫入的數據為“1”，則鐵磁自由層4和底電極層2之間的電壓為0，如果要寫入的數據為“0”，則鐵磁自由層4和底電極層2之間的電壓為_Vs。在寫入過程的t4期間，板線14的電壓下降為0，如果要寫入的數據為“1”，則將第二位線16的電壓降為0，如果要寫入的數據為“0”， 則第二位線16的電壓維持為0。在寫入過程的t5期間，字線13的電壓降為0，第二位線16 和鐵磁自由層4的連通斷開，一次完整的寫入過程結束。存儲單元的讀取操作則是直接在第一位線15和第二位線16之間測量電阻，電阻阻值高的狀態(tài)為狀態(tài)“ 1 ”，反之則為“0”。在本發(fā)明的一個實施例中，還包括與字線相連的位線選擇電路，用于選定存儲器中的磁電隨機存儲單元。在讀取操作中，通過現有量取第一位線15和第二位線16之間電阻的方法對第一位線15和第二位線16之間的電阻進行測量，將被選擇讀取的磁電隨機存儲單元1所屬字線13的電壓升至訪問晶體管9的閾值電壓Vg，第二位線16和鐵磁自由層4連通，則所測量電阻位所選擇讀取的隨機存儲單元1的夾層結構7的電阻。下面通過實施例的方式對本發(fā)明的磁電隨機存儲單元結構做進一步的說明。制備鐵電氧化物層3為具有(001)取向的鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)，沉積包含 5nm厚的具有(001)取向的鎳(Ni)鐵磁自由層4的鎳自旋閥結構，利用刻蝕技術獲得的鐵磁自由層4、隔離層5、鐵磁固定層6的多層復合薄膜結構的長度為64nm，寬度為64nm。在鐵電氧化物層3中施加垂直于薄膜長度方向的電壓，圖7為該體系中夾層結構7的電阻變化率隨鐵電氧化物層3所受電場強度的變化規(guī)律，在該體系中臨界開關電場Ucr為1. IkV/ cm0如圖7所示，當首先對實施例樣品進行負向施加電壓(板線14電壓高于IT，第二位線16電壓為0)，樣品電阻在超過臨界電壓處發(fā)生了從低阻態(tài)向高阻態(tài)的突變；繼續(xù)沿該方向增大電壓，電阻狀態(tài)不變。當電壓減小到零后樣品仍然保持在高阻態(tài)狀態(tài)。當在第二位線16施加電壓，板線14保持為0的條件下，超過臨界開關電壓后，樣品電阻狀態(tài)由原來的高阻態(tài)突變?yōu)榈妥钁B(tài)，繼續(xù)增加電壓則保持該低阻態(tài)。當電壓減小到零后，樣品仍然保持在低阻態(tài)狀態(tài)，由于無論在正向還是反向電壓作用下，撤銷電壓后實施例樣品的電阻狀態(tài)都可以得到保持，這表明了該隨機存儲單元1具有存儲的非易失性。本發(fā)明實施例采用多鐵性磁電復合薄膜結構作為磁電隨機存儲元器件的主要部分，利用鐵電氧化物層與鐵磁自由層之間的磁電耦合效應，通過電場對鐵磁自由層中磁化方向進行調制，實現了用電場寫入信息數據，與磁性隨機存儲器相比，降低了寫入功耗，同時由于沒有寫入電流磁場的空間作用對鄰近存儲單元的干擾，可以縮小存儲單元之間的距離，提高存儲密度。本發(fā)明實施例提出的磁電隨機存儲器具有非易失性、寫入功耗抵、存儲單元相互之間干擾小的特點，并且還可以提高存儲密度。此外，本發(fā)明實施例使用底電極層和鐵磁自由層作為鐵電氧化物層的上下電極而施加垂直電場，布局合理，節(jié)省了空間，同時減少了磁電隨機存儲器中所使用的連通線的個數。盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種磁電隨機存儲單元，其特征在于，包括 底電極層；形成在所述底電極層之上的鐵電氧化物層； 形成在所述鐵電氧化物層之上的鐵磁自由層； 形成在所述鐵磁自由層之上的隔離層；和形成在所述隔離層之上的鐵磁固定層，其中，所述鐵磁自由層、所述隔離層和所述鐵磁固定層構成具有磁阻效應的夾層結構， 所述鐵磁自由層和所述底電極層分別作為所述鐵電氧化物層的上下電極而對所述鐵電氧化物層施加電場，其中所述電場的方向垂直于所述鐵電氧化物層，所述鐵電氧化物層在所述電場的作用下通過磁電耦合控制所述鐵磁自由層中磁化方向轉動以使得所述夾層結構的電阻變化。
2.根據權利要求1所述的磁電隨機存儲單元，其特征在于，還包括一層或多層反鐵磁釘扎層，所述反鐵磁釘扎層設置在所述鐵磁固定層的上方，用于固定所述鐵磁固定層中的磁化方向。
3.根據權利要求1或2所述的磁電隨機存儲單元，其特征在于，所述鐵電氧化物層包括以下材料中的任一種具有(oil)或(111)取向的鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鐵酸鉍、鈦酸鉍-鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛和鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛。
4.根據權利要求1或2所述的磁電隨機存儲單元，其特征在于，所述鐵磁固定層和/或鐵磁自由層包括以下材料中的一種或幾種Fe、Ni、Co、NiFe, CoFe, NiFeCo或含有Fe、CO、 Ni的合金材料。
5.根據權利要求1或2所述的磁電隨機存儲單元，其特征在于，所述隔離層由非磁性材料構成。
6.根據權利要求5所述的磁電隨機存儲單元，其特征在于，所述非磁性材料包括銅、 鉻、含有銅和鉻的合金材料、氧化鋁和氧化鎂。
7.根據權利要求2所述的磁電隨機存儲單元，其特征在于，所述反鐵磁釘扎層包括以下材料中的任一種鐵錳合金、鎳錳合金、鉬錳合金和其他含有錳的合金材料。
8.—種磁電隨機存儲器，其特征在于，包括磁電隨機存儲單元陣列，所述磁電隨機存儲單元陣列包括多個如權利要求1-7中任一項所述的磁電隨機存儲單元；多個訪問晶體管，每個所述訪問晶體管與每個所述磁電隨機存儲單元的底電極層相連，且每個所述訪問晶體管具有源極、柵極和漏極；多根字線，每根所述字線與每個所述訪問晶體管的柵極相連，用于控制所述訪問晶體管的源極和漏極之間的通斷；多根板線，所述板線與所述字線平行，且每根所述板線與每個所述磁電隨機存儲單元的底電極層相連；多根第一位線，所述第一位線與所述字線垂直，且每根所述第一位線與每個所述磁電隨機存儲單元的鐵磁固定層相連；多根第二位線，所述第二位線與所述字線垂直，且每根所述第二位線與每個所述訪問晶體管的源極相連；以及多根互聯線，每根所述互聯線的一端與每個所述訪問晶體管的漏極相連，每根所述互聯線的另一端分與每個所述磁電隨機存儲單元的鐵磁自由層相連。
9.根據權利要求8所述的磁電隨機存儲器，其特征在于，當進行寫操作時，所述字線控制相應訪問晶體管的源極與漏極導通，并在相應的第二位線和板線之間施加電壓以在所述鐵電氧化物層和所述鐵磁自由層之間發(fā)生磁電耦合，控制所述鐵磁自由層的磁化方向發(fā)生偏轉。
10.根據權利要求8所述的磁電隨機存儲器，其特征在于，當進行讀操作時，通過所述第二位線和所述第一位線讀取所述磁電隨機存儲單元的存儲信息。
11.根據權利要求8-10中任一項所述的磁電隨機存儲器，其特征在于，還包括與所述多根字線相連的位線選擇電路，用于選定所述磁電隨機存儲器中的磁電隨機存儲單元。
全文摘要
本發(fā)明提出一種磁電隨機存儲單元，包括底電極層；形成在底電極層之上的鐵電氧化物層；形成在鐵電氧化物層之上的鐵磁自由層；形成在鐵磁自由層之上的隔離層；和形成在隔離層之上的鐵磁固定層，其中，鐵磁自由層、隔離層和鐵磁固定層構成具有磁阻效應的夾層結構，鐵磁自由層和底電極層分別作為鐵電氧化物層的上下電極而對鐵電氧化物層施加電場，其中電場的方向垂直于鐵電氧化物層，鐵電氧化物層在電場的作用下通過磁電耦合控制鐵磁自由層中磁化方向轉動以使得夾層結構的電阻變化。本發(fā)明還提出一種具有所述磁電隨機存儲單元的存儲器。本發(fā)明能夠實現用電場寫入信息數據，具有諸如非易失性、寫入功耗低、存儲密度高等優(yōu)點。
文檔編號H01L27/22GK102299256SQ20111020057
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權日2011年7月18日
發(fā)明者南策文, 李崢, 林元華, 胡嘉冕, 舒立 申請人:清華大學