CN102683581B - 一种电压可调的磁阻变随机存储单元及其随机存储器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电压可调的磁阻变随机存储单元，包括：底电极层；形成在底电极层之上的铁电氧化物层；形成在铁电氧化物层之上的磁性层，其中，磁性层和底电极层分别作为铁电氧化物层的上下电极而对铁电氧化物层施加电压，其中电压的方向垂直于铁电氧化物层，铁电氧化物层在电压的作用下可调控磁性层中磁矩的排列，以使得磁性层在设定的测量方向上的电阻发生变化。本发明还提出一种具有所述磁阻变随机存储单元的存储器。本发明能够实现用电压写入信息数据，具有诸如非易失性、写入功耗低、存储密度高等优点。

Description

一种电压可调的磁阻变随机存储单元及其随机存储器

技术领域

本发明涉及随机存储技术领域，特别涉及一种电压可调的磁阻变随机存储单元及具有其存储单元的随机存储器。

背景技术

磁阻变随机存储器(MRAM)因为其良好的耐久性和非易失存储特性，被认为是最有希望得到广泛应用的下一代嵌入式存储器之一。它的核心工作组元是一个“磁自由层/氧化物隧穿绝缘层/磁固定层”的三明治结构的叠层磁阻随机存储单元。其工作原理是，利用位线和数据线通过的安培电流产生磁场，通过磁场使得磁自由层中的磁化矢量发生旋转，使得磁自由层与磁固定层之间的磁化方向夹角发生变化，从而在存储单元中产生高、低两个阻态，对应于数据的“0”、“1”两个状态。磁阻变随机存储器存在的问题是，随着存储器单元体积的缩小，在指定的存储器单元范围内通过电流产生磁场并同时保证不对邻近存储单元的存储状态造成较大影响，将会变得越来越困难，这便制约了存储器记录密度的提高。此外，单位体积内的安培电流密度也会急剧增加，从而会产生较多的热损耗使得器件性能恶化。

为了解决这两个问题，目前采用的技术路线是使用基于自旋力矩转移的磁阻变随机存储器(STT-RAM)，即利用自旋电流直接对存储单元中的磁自由层的磁化矢量方向进行调控从而完成状态写入，而并不需要借助安培电流产生的磁场作为间接手段。这种存储器所需要的自旋电流密度并不会随存储单元体积减小显著上升，可以在一定程度上缓解传统磁阻变随机存储器中记录密度难以提高和功耗过大的问题。但是，由于仍然采用电流方式进行状态写入，该存储器可以预见的功耗仍将高于纯电压方式进行状态写入的诸如基于半导体CMOS元件的闪存存储器(FLASH)、铁电随机存储器(FeRAM)等嵌入式随机存储器。此外，基于自旋力矩转移的磁阻变随机存储器中写入电流和读取电流的方向均垂直于所述叠层存储单元，使得存储单元中的隧穿绝缘层发生介电击穿的风险提高，进而影响存储器件工作的耐久性。

另外一方面，所述的闪存存储器和铁电随机存储器尽管功耗较低，却也有着各自的缺点。其中，所述闪存存储器利用半导体电容元件的充放电实现数据记录，写入时间相对较长；所述铁电随机存储器利用铁电材料的铁电极化方向实现数据存储，尽管写入速度较快，但其读取方式是破坏式的，即数据读取之后所存储的数据不能够保留。并且，随着时间的延长，存储器中铁电薄膜的剩余极化强度逐渐变小，会导致存储器无法正确区分“0”和“1”两种极化状态而失效。表1对所述几种不同的非易失嵌入式随机存储器进行了比较。

表1.几种不同的非易失嵌入式随机存储器比较

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷诸如存储密度低、功耗高、写入速度慢之一。

为此，本发明的第一个目的在于提供一种电压可调的磁阻变随机存储单元，该随机存储单元利用磁电效应原理，通过在垂直于铁电氧化物层方向施加电压调控磁性层的磁矩方向，从而使得其在设定的测量方向上的电阻发生变化。

本发明的第二个目的在于提供一种具有上述电压可调的磁阻变随机存储单元的随机存储器。

为达到上述目的，本发明第一方面的实施例提出一种电压可调的磁阻变随机存储单元，包括：底电极层；形成在所述底电极层之上的铁电氧化物层；形成在所述铁电氧化物层之上的磁性层；所述磁性层和所述底电极层分别作为所述铁电氧化物层的上下电极而对所述铁电氧化物层施加电压，其中所述电压的方向垂直于所述铁电氧化物层，所述铁电氧化物层在所述电压的作用下通过磁电耦合控制所述磁性层中磁矩转动以使得所述磁性层在设定的测量方向上的电阻发生变化。

在本发明的一个实施例中，所述铁电氧化物层包括以下材料中的任一种：具有(001)、(011)或(111)取向的钛酸钡、锆钛酸铅、铁酸铋、钛酸铋-钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅和铌锌酸铅-钛酸铅。

在本发明的一个实施例中，所述磁性层包括以下材料中的一种或几种：铁、镍、钴、镍铁合金、钴铁合金、镍铁钴合金、钴铁硼合金和其他含有铁、钴、镍的合金。

本发明第二方面的实施例提出了一种电压可调的磁阻变随机存储器，包括：随机存储单元阵列，包括多个本发明第一方面实施例的电压可调的磁阻变随机存储单元；多个访问晶体管，每个所述访问晶体管与每个所述随机存储单元的底电极层相连，且每个所述访问晶体管具有源极、栅极和漏极；多根字线，每根所述字线与每个所述访问晶体管的栅极相连，用于控制所述访问晶体管的源极和漏极之间的通断；多根板线，所述板线与所述字线垂直，且每根所述板线与每个所述磁电随机存储单元的底电极层相连；多根第一位线，所述第一位线与所述字线平行，且每根所述第一位线与每个所述随机存储单元的磁性层相连；多根第二位线，所述第二位线与所述字线垂直，且每根所述第二位线与每个所述访问晶体管的源极相连；以及多根互联线，每根所述互联线的一端与每个所述访问晶体管的漏极相连，每根所述互联线的另一端与每个所述随机存储单元的磁性层相连。

在本发明的一个实施例中，当进行写操作时，所述字线控制相应访问晶体管的源极与漏极导通，并在相应的第二位线和板线之间施加电压以在所述铁电氧化物层和所述磁性层之间发生磁电耦合，控制所述磁性层的磁矩方向发生偏转。

在本发明的一个实施例中，当进行读操作时，通过所述第二位线和所述第一位线读取所述随机存储单元的存储信息。

在本发明的一个实施例中，所述电压可调的磁阻变随机存储器还包括：与所述多根字线相连的位线选择电路，用于选定所述随机存储器中的随机存储单元。

本发明实施例采用多铁性磁电复合薄膜结构作为电压可调的磁阻变随机存储元器件的主要部分，利用铁电氧化物层与磁性层之间的磁电耦合效应，通过电压对磁性层中磁矩排列方向进行调制，实现了用电压写入信息数据，与电流驱动的磁阻变随机存储器相比，写入功耗显著降低，同时由于没有写入电流产生的空间磁场作用对邻近存储单元产生干扰，可以缩小存储单元之间的距离，提高存储密度。本发明实施例提出的电压可调的磁阻变随机存储器具有非易失性、存储密度高、写入功耗低、工作速度快的特点。此外，本发明实施例使用磁性层和底电极层作为铁电氧化物层的上下电极而施加垂直电压，布局合理，节省了空间，同时减少了随机存储器中所使用的互联线的个数。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一个实施例的电压可调的磁阻变随机存储单元及具有该单元的随机存储器的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的电压可调的磁阻变随机存储单元剖面示意图；

图3为本发明一个实施例的电压可调的磁阻变随机存储器的电路图；

图4为本发明一个实施例中电压可调的磁阻变随机存储单元随电压作用下电阻阻值的变化曲线图。

附图标记说明：

1-电压可调的磁阻变随机存储单元    2-底电极层

3-铁电氧化物层                    4-磁性层

5-字线                            6-板线

7-第一位线                        8-第二位线

9-互联线                          10-访问晶体管

11-源极                           12-栅极

13-漏极

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面将参照附图详细描述根据本发明实施例的结构和方法。

本发明主要通过电压调控磁性层的磁矩排列方向，基于各向异性磁阻效应，磁矩排列方向的改变会使得磁性层在设定的测量方向上的电阻状态发生变化，从而完成数据的写入操作。这种通过电压进行写入的方式可以克服现有磁阻变随机存储器中写入电流引起的过度功耗和电流产生的空间磁场对邻近单元产生的干扰等问题。在本发明中，电压对磁性层磁矩排列方向的调控是通过磁性层与铁电氧化物层之间的磁电耦合效应实现的。这种磁性层与铁电氧化物层的叠层复合薄膜又被称为多铁性磁电复合薄膜，它可以通过诸如脉冲激光沉积、磁控溅射等多种物理制备方法以及溶胶-凝胶法等化学制备方法进行制备。2009年，清华大学J.-M.Hu等利用热力学理论计算证实了在下层为铁电氧化物、上层为磁性合金薄膜的多铁性磁电叠层复合薄膜中，通过对铁电氧化物施加电压，也可以致使磁性层的磁矩排列方向在薄膜平面内发生偏转。2011年1月，美国加州大学洛杉矶分校的吴涛等人在Ni/[011]-PMN-PT单晶体系中观察到随着在垂直于单晶表面方向对PMN-PT施加电压，Ni的磁矩排列方向在Ni薄膜平面内发生了偏转，这是基于磁电耦合效应实现电压调控磁性薄膜磁矩排列方向的典型实验例证。

根据本发明的一个实施例，本发明提供一个实施例的电压可调的磁阻变随机存储单元1及具有该单元的随机存储器，如图1所示。电压可调的磁阻变随机存储单元1采用多层复合薄膜的结构型式，在本实施例中，所述多层复合薄膜结构自下而上包括底电极层2、铁电氧化物层3、磁性层4，如图2所示。

所述底电极层2和磁性层4作为铁电氧化物层3的下、上电极而对铁电氧化物层3施加电压，所施加电压的方向垂直于多层复合薄膜的平面。铁电氧化物层3在电压作用下通过磁电耦合控制磁性层4中的磁矩排列使其发生偏转，以及不同写入电压信息对应的不同偏转方向。磁性层4中磁矩排列方向的偏转可致使磁性层中任意固定且不重合的两点之间的电阻发生变化。所述第一位线7与所述互联线9分别地与磁性层4连通，连通点固定且不重合。因而改变磁性层4中磁矩的排列方向，可以导致所述第一位线7与所述互联线9之间的电阻发生变化。

本发明采用多铁性磁电复合薄膜作为电压可调的磁阻变随机存储单元1的主要部分，利用铁电氧化物层3与磁性层4之间的磁电耦合效应，通过电场对铁磁自由层4中的磁矩排列进行调制，实现了用电场写入信息数据。与现有技术中的磁阻变随机存储器相比，存储密度高、写入功耗低、工作速度快的特点。

根据本发明的一个实施例，所述铁电氧化物层3优选但不仅限于采用具有(011)或(111)取向的钛酸钡、锆钛酸铅、铁酸铋、钛酸铋-钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅和铌锌酸铅-钛酸铅等材料中的一种材料来形成。

根据本发明的一个实施例，所述磁性层4优选但不仅限于采用铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、镍铁合金(NiFe)、钴铁合金(CoFe)、镍铁钴合金(NiFeCo)、钴铁硼合金(CoFeB)或其他含有Fe、Co、Ni的合金中的一种材料来形成。

此外，所述底电极层2可使用本技术领域内公知的金属或氧化物材料来形成。

具有所述电压可调的磁阻变随机存储单元1的随机存储器的电路结构如图3所示，所述的该随机存储器包括多个电压可调的磁阻变随机存储单元1，以及多根字线5、多根与所述字线5垂直的板线6、多根与所述字线5平行的第一位线7和多根与所述字线5垂直的第二位线8、多根互联线9以及多个访问晶体管10。

更具体地，字线5与访问晶体管10的栅极12相连，用于控制访问晶体管10的源极11和漏极13之间的通断；第二位线8与访问晶体管10的源极11相连；互联线9的一端与访问晶体管10的漏极13相连，另一端与电压可调的磁阻变随机存储单元1的磁性层4相连；在字线5上通有高电平信号时，第二位线8与板线6之间的电压信号可以直接作用在电压可调的磁阻变随机存储单元1的铁电氧化物层3上；其中，字线5上通有的高电平信号指的是超过可以使访问晶体管10的源极11与漏极13之间相互导通所需阈值电压的信号。

电压可调的磁阻变随机存储器的第一位线7与电压可调的磁阻变随机存储单元1的磁性层4相连，第一位线7与互联线9所连通的磁性层4的磁矩排列的改变可引起第一位线7与互联线9之间的电阻变化，在字线5上通有高电平信号时，可以通过第一位线7与第二位线8探测该电阻变化。

写入该电压可调的磁阻变随机存储单元1的电压信号通过第二位线8和板线6进行施加；读取存储器电阻变化信号的电路连接到第二位线8和第一位线7上。

在本发明的一个实施例中，还包括对存储器中存储单元进行选择的电路，对电压可调的磁阻变随机存储器中不同电压可调的磁阻变随机存储单元1进行选择的电路行解码器连接到板线6上，列解码器连接到字线5上，可通过所述行、列解码器选择操作不同的电压可调的磁阻变随机存储单元。

本发明实施例所提及的电压可调的磁阻变随机存储器可以通过本领域所公知的与半导体工业相适应的工艺及方法进行沉积制备，例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、光刻等薄膜制备、刻蚀及布线等。当然，该电压可调的磁阻变随机存储器件也可以通过其他的物理或者化学的薄膜制备方法进行沉积制备。

下面通过实施例的方式对本发明的磁电随机存储单元结构做进一步的说明。

制备铁电氧化物层3为具有(001)取向的铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)，并在其上沉积5nm厚的多晶镍(Ni)薄膜4作为磁性层，利用刻蚀技术获得的磁性层4的长度为64nm，宽度为64nm。在铁电氧化物层3中施加垂直于薄膜厚度方向的电压，图4为磁性薄膜层的电阻变化率随铁电氧化物层3所受电压的变化规律，在该体系中临界开关电压V^cr约为0.28V。

如图1所示，当首先对实施例样品进行负向施加电压(板线6电压高于V^cr，第二位线8电压为0)，样品电阻在超过临界电压处发生了从低阻态向高阻态的突变；继续沿该方向增大电压，电阻状态不变。当电压减小到零后样品仍然保持在高阻态状态。当在第二位线8施加电压，板线6保持为0的条件下，超过临界开关电压后，样品电阻状态由原来的高阻态突变为低阻态，继续增加电压则保持该低阻态。当电压减小到零后，样品仍然保持在低阻态状态，由于无论在正向还是反向电压作用下，撤销电压后实施例样品的电阻状态都可以得到保持，这表明了该随机存储单元1具有存储的非易失性。

本发明实施例采用“磁性/铁电”叠层复合薄膜结构作为电压可调的磁阻变随机存储元器件的主要部分，利用铁电氧化物层与磁性层之间的磁电耦合和磁性薄膜的各向异性磁阻效应，通过电场对磁性层中磁矩排列方向进行调制，实现了用电压进行信息数据写入，与商用磁阻变随机存储器相比，降低了写入功耗，同时由于没有写入电流产生的空间磁场对邻近存储单元的干扰，可以缩小存储单元之间的距离，提高存储密度。本发明实施例提出的电压可调的磁阻变随机存储器具有非易失性、写入功耗低、存储密度高的特点。此外，本发明实施例使用磁性层和底电极层作为铁电氧化物层的上下电极而施加垂直电压，布局合理，节省了空间，同时减少了随机存储器中所使用的连通线的个数。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种电压可调的磁阻变随机存储单元，其特征在于，包括：

底电极层；

形成在所述底电极层之上的铁电氧化物层；和

形成在所述铁电氧化物层之上的磁性层；

其中，所述磁性层和所述底电极层分别作为所述铁电氧化物层的上下电极而对所述铁电氧化物层施加电压，其中所述电压的方向垂直于所述铁电氧化物层，所述铁电氧化物层在所述电压的作用下可调控磁性层中磁矩的排列，以使得所述磁性层在设定的测量方向上的电阻发生变化；

所述铁电氧化物层包括以下材料中的任一种：具有(001)、(011)或(111)取向的钛酸钡、锆钛酸铅、铁酸铋、钛酸铋-钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅和铌锌酸铅-钛酸铅；

所述磁性层包括以下材料中的一种或几种：Fe、Ni、Co、NiFe、CoFe、NiFeCo、CoFeB或含有Fe、CO、Ni的合金材料。

2.一种磁阻变随机存储器，其特征在于，包括：

磁阻变随机存储单元阵列，所述磁阻变随机存储单元阵列包括多个如权利要求1所述的电压可调的磁阻变随机存储单元；

多个访问晶体管，每个所述访问晶体管与每个所述电压可调的磁阻变随机存储单元的磁性层相连，且每个所述访问晶体管具有源极、栅极和漏极；

多根字线，每根所述字线与每个所述访问晶体管的栅极相连，用于控制所述访问晶体管的源极和漏极之间的通断；

多根板线，所述板线与所述字线垂直，且每根所述板线与每个所述电压可调的磁阻变随机存储单元的底电极层相连；

多根第一位线，所述第一位线与所述字线平行，且每根所述第一位线与每个所述电压可调的磁阻变随机存储单元的磁性层相连；

多根第二位线，所述第二位线与所述字线垂直，且每根所述第二位线与每个所述访问晶体管的源极相连；以及

多根互联线，每根所述互联线的一端与每个所述访问晶体管的漏极相连，每根所述互联线的另一端分与每个所述电压可调的磁阻变随机存储单元的磁性层相连，其中所述互联线与所述磁性层的连接点与所述第一位线与磁性层的连接点之间位置不重合，可通过所述互联线和所述第一位线测量磁性层平面内电阻的变化。

3.根据权利要求2所述的磁阻变随机存储器，其特征在于，当进行写操作时，所述字线控制相应访问晶体管的源极与漏极导通，并在相应的第二位线和板线之间施加电压，以使所述铁电氧化物层控制所述磁性层中磁矩的排列发生变化。

4.根据权利要求2所述的磁阻变随机存储器，其特征在于，当进行读操作时，通过所述第二位线和所述第一位线读取所述磁阻变随机存储单元的存储信息。

5.根据权利要求2所述的磁阻变随机存储器，其特征在于，还包括：

与所述多根字线相连的列解码器，与所述多根板线相连的行解码器，用于选定所述磁阻变随机存储器中的电压可调磁阻变随机存储单元。