專利名稱：一種電壓可調的磁阻變隨機存儲單元及其隨機存儲器的制作方法
技術領域：
本發明涉及隨機存儲技術領域，特別涉及一種電壓可調的磁阻變隨機存儲單元及具有其存儲單元的隨機存儲器。
背景技術：
磁阻變隨機存儲器(MRAM)因為其良好的耐久性和非易失存儲特性，被認為是最有希望得到廣泛應用的下一代嵌入式存儲器之一。它的核心工作組元是一個“磁自由層/氧化物隧穿絕緣層/磁固定層”的三明治結構的疊層磁阻隨機存儲單元。其工作原理是，利用位線和數據線通過的安培電流產生磁場，通過磁場使得磁自由層中的磁化矢量發生旋 轉，使得磁自由層與磁固定層之間的磁化方向夾角發生變化，從而在存儲單元中產生高、低兩個阻態，對應于數據的“0”、“I”兩個狀態。磁阻變隨機存儲器存在的問題是，隨著存儲器單元體積的縮小，在指定的存儲器單元范圍內通過電流產生磁場并同時保證不對鄰近存儲單元的存儲狀態造成較大影響，將會變得越來越困難，這便制約了存儲器記錄密度的提高。此外，單位體積內的安培電流密度也會急劇增加，從而會產生較多的熱損耗使得器件性能惡化。為了解決這兩個問題，目前采用的技術路線是使用基于自旋力矩轉移的磁阻變隨機存儲器(STT-RAM)，即利用自旋電流直接對存儲單元中的磁自由層的磁化矢量方向進行調控從而完成狀態寫入，而并不需要借助安培電流產生的磁場作為間接手段。這種存儲器所需要的自旋電流密度并不會隨存儲單元體積減小顯著上升，可以在一定程度上緩解傳統磁阻變隨機存儲器中記錄密度難以提高和功耗過大的問題。但是，由于仍然采用電流方式進行狀態寫入，該存儲器可以預見的功耗仍將高于純電壓方式進行狀態寫入的諸如基于半導體CMOS元件的閃存存儲器(FLASH)、鐵電隨機存儲器(FeRAM)等嵌入式隨機存儲器。此夕卜，基于自旋力矩轉移的磁阻變隨機存儲器中寫入電流和讀取電流的方向均垂直于所述疊層存儲單元，使得存儲單元中的隧穿絕緣層發生介電擊穿的風險提高，進而影響存儲器件工作的耐久性。另外一方面，所述的閃存存儲器和鐵電隨機存儲器盡管功耗較低，卻也有著各自的缺點。其中，所述閃存存儲器利用半導體電容元件的充放電實現數據記錄，寫入時間相對較長；所述鐵電隨機存儲器利用鐵電材料的鐵電極化方向實現數據存儲，盡管寫入速度較快，但其讀取方式是破壞式的，即數據讀取之后所存儲的數據不能夠保留。并且，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，會導致存儲器無法正確區分“0”和“I”兩種極化狀態而失效。表I對所述幾種不同的非易失嵌入式隨機存儲器進行了比較。表I.幾種不同的非易失嵌入式隨機存儲器比較
權利要求
1.一種電壓可調的磁阻變隨機存儲單元，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；和 形成在所述鐵電氧化物層之上的磁性層； 其中，所述磁性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壓，其中所述電壓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壓的作用下可調控磁性層中磁矩的排列，以使得所述磁性層在設定的測量方向上的電阻發生變化。
2.根據權利要求I所述的磁阻變隨機存儲單元，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(001)、(011)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。
3.根據權利要求I所述的磁阻變隨機存儲單元，其特征在于，所述磁性層包括以下材料中的一種或幾種Fe、Ni、Co、NiFe、CoFe、NiFeCo、CoFeB或含有Fe、CO、Ni的合金材料。
4.一種磁阻變隨機存儲器，其特征在于，包括 磁阻變隨機存儲單元陣列，所述磁阻變隨機存儲單元陣列包括多個如權利要求1-3中任一項所述的電壓可調的磁阻變隨機存儲單元； 多個訪問晶體管，每個所述訪問晶體管與每個所述電壓可調的磁阻變隨機存儲單元的磁性層相連，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垂直，且每根所述板線與每個所述電壓可調的磁阻變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平行，且每根所述第一位線與每個所述電壓可調的磁阻變隨機存儲單元的磁性層相連； 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電壓可調的磁阻變隨機存儲單元的磁性層相連，其中所述互聯線與所述磁性層的連接點與所述第一位線與磁性層的連接點之間位置不重合，可通過所述互聯線和所述第一位線測量磁性層平面內電阻的變化。
5.根據權利要求4所述的磁阻變隨機存儲器，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，以使所述鐵電氧化物層控制所述磁性層中磁矩的排列發生變化。
6.根據權利要求4所述的磁阻變隨機存儲器，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阻變隨機存儲單元的存儲信息。
7.根據權利要求4-6中任一項所述的磁阻變隨機存儲器，其特征在于，還包括 與所述多根字線相連的列解碼器，與所述多根板線相連的行解碼器，用于選定所述磁阻變隨機存儲器中的電壓可調磁阻變隨機存儲單元。
全文摘要
本發明提出一種電壓可調的磁阻變隨機存儲單元，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磁性層，其中，磁性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壓，其中電壓的方向垂直于鐵電氧化物層，鐵電氧化物層在電壓的作用下可調控磁性層中磁矩的排列，以使得磁性層在設定的測量方向上的電阻發生變化。本發明還提出一種具有所述磁阻變隨機存儲單元的存儲器。本發明能夠實現用電壓寫入信息數據，具有諸如非易失性、寫入功耗低、存儲密度高等優點。
文檔編號H01L43/08GK102683581SQ201210122708
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月24日 優先權日2012年4月24日
發明者南策文, 李崢, 胡嘉冕, 陳龍慶 申請人:清華大學