[发明专利]磁电随机存储单元及具有该磁电随机存储单元的存储器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造及设计技术领域，尤其是涉及一种磁电随机存储单元以及具有该磁电随机存储单元的随机存储器。

背景技术

磁性随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性存储器，它利用磁阻效应实现数据存储。磁阻效应是在磁场作用下材料的电阻发生改变的效应。由铁磁层、隧道阻挡层、铁磁层所构成的三层结构是一种典型的具有磁阻效应的结构。当位于隧道阻挡层上下方的铁磁层磁化方向一致的时候，该结构的电阻最小。而在磁场作用下，铁磁层中的磁化方向会趋向外加磁场方向而取向，当上下方的铁磁层磁化方向产生大于0度的夹角时，该结构的电阻就发生了改变，当两层磁化方向为反平行方向(夹角为180度)时，电阻最大。为了使两层铁磁层在磁场作用下产生更大的夹角，通常在其中一个铁磁层上制备一个反铁磁层，利用界面处的钉扎作用，使该铁磁层的磁化方向在外磁场作用下难于偏转。目前这个技术目前被广泛地应用于硬盘的读取磁头以及磁性随机存储器(MRAM)上。

通常一个典型的随机存储单元至少由四部分构成，它包含一层由反铁磁材料构成的钉扎层、一层由铁磁材料构成的被钉扎层、一层由绝缘材料构成的隧道阻挡层和一层由铁磁材料构成的自由层。由于反铁磁层的钉扎作用，被钉扎层的磁化方向不会被位线和数据线产生的磁场反转；而自由层的磁化方向能够被位线和数据线产生的磁场转动。实际上，位线和数据线产生的磁场对自由层磁化方向的反转就是MRAM的数据写入操作。

现有技术的缺点是：由于自由层存在磁缺陷，在实际操作过程中，需要很强的磁场才能使自由层的磁化方向反转，因此这意味着需要增加位线和信号线上的电流来增强磁场，从而会造成写入数据的功耗增加，而且容易对邻近存储单元的存储状态产生影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中的上述技术问题之一，特别是解决现有磁性随机存储器利用电流产生磁场进行写入操作而导致的过度功耗和对邻近单元产生影响的问题。

为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种磁电随机存储单元，包括：铁电氧化物层；形成在所述铁电氧化物层之上的铁磁自由层；形成在所述铁磁自由层之上的隧道阻挡层；形成在所述隧道阻挡层之上的铁磁固定层；和形成在所述铁电氧化物层两侧的第一电极和第二电极，其中，在所述第一和第二电极可对所述铁电氧化物层施加的电场作用下，通过磁电耦合作用控制所述铁磁自由层中的磁化方向。

在本发明的一个实施例中，还包括：形成在所述铁磁固定层之上的反铁磁钉扎层。

在本发明的一个实施例中，所述磁电随机存储单元的至少一个电极与访问晶体管相连接。

在本发明的一个实施例中，其中，所述铁电氧化物层包括：钛酸钡、锆钛酸铅、铁酸铋、钪酸铋-钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅或者铌锌酸铅-钛酸铅。

在本发明的一个实施例中，其中，所述铁磁固定层和/或铁磁自由层包括Fe、Ni、Co、NiFe、CoFe、NiFeCo或含有Fe、CO、Ni的合金材料。

在本发明的一个实施例中，其中，所述隧道阻挡层包括氧化铝或氧化镁。

在本发明的一个实施例中，其中，所述反铁磁钉扎层由锰合金材料形成。具体地，所述锰合金材料包括铁锰合金、镍锰合金或铂锰合金。

本发明另一方面还提出了一种包括上述磁电随机存储单元的存储器，至少包括：多个磁电随机存储单元；多个分别与所述磁电随机存储单元中的第一电极相连的访问晶体管；多个控制所述访问晶体管的字线；多个分别与所述磁电随机存储单元中的第二电极相连的第一板线；多个分别与访问晶体管相连的第一位线；多个分别与所述磁电随机存储单元中的铁磁固定层相连的第二位线；和多个分别与所述磁电随机存储单元中的铁磁自由层相连的第二板线。

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开启，并在相应的第一位线和第一板线之间施加电压以在所述第一电极和第二电极之间形成电场，并通过磁电耦合控制所述铁磁自由层的磁化方向。

在本发明的一个实施例中，当进行读操作时，通过所述第二板线和第二位线读取所述磁电随机存储单元的存储信息。

在本发明的一个实施例中，还包括：与所述多个字线相连的选择控制电路，用于选定所述存储器中的磁电随机存储单元。