[发明专利]磁电随机存储单元及具有其的磁电随机存储器

说明书

技术领域

本发明涉及随机存储技术领域，特别涉及一种磁电随机存储单元及具有其的磁电随机存储器。

背景技术

铁电随机存储器是一种具有写入速度快、功耗低等优势的非易失性存储器件，其利用铁电材料的铁电极化方向实现数据存储。磁性随机存储器也是一种非易失性存储器，其利用磁阻效应实现数据存储。

铁电随机存储器存在的问题是，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，导致存储器无法正确区分“0”和“1”两种极化状态而失效。

磁性随机存储器的工作原理是，利用位线和数据线通过的电流产生磁场，通过磁场使得铁磁自由层中的磁化状态发生旋转，使得铁磁自由层与铁磁固定层之间的磁化方向夹角发生变化，从而在磁隧道结构中产生高、低两个阻态，对应于数据的“0”、“1”两个状态。磁性随机存储器存在的问题是，随着存储密度的提高，存储器单元体积的缩小，由于铁磁自由层存在磁缺陷，在实际操作过程中，需要更强的磁场才能使得铁磁自由层的磁化方向反转，这意味着需要增加位线和信号线上的电流来增加磁场，从而导致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。

为了克服磁性随机存储器的缺点，提出了一种自旋力矩转移-磁性随机存储器，利用自旋电流直接对磁性随机存储单元中的铁磁自由层进行状态写入操作，而不需要以产生磁场作为间接手段，从而可以解决磁性随机存储器提高密度难的问题，同时在一定程度上也可以减小功耗，但是，由于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采用电压方式进行状态写入的诸如铁电随机存储器、磁电随机存储器等存储器。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。

为此，本发明的第一个目的在于提供一种磁电随机存储单元，该磁电随机存储单元利用磁电效应原理，通过施加在铁电氧化物层上的电场调控铁磁自由层的磁化方向，从而使得电阻产生变化。

本发明的第二个目的在于提供一种具有上述磁电随机存储单元的磁电随机存储器。

为达到上述目的，本发明第一方面的实施例提出一种磁电随机存储单元，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铁磁自由层；形成在所述铁磁自由层之上的隔离层；和形成在所述隔离层之上的铁磁固定层，其中，所述铁磁自由层、所述隔离层和所述铁磁固定层构成具有磁阻效应的夹层结构，所述铁磁自由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场，其中所述电场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场的作用下通过磁电耦合控制所述铁磁自由层中磁化方向转动以使得所述夹层结构的电阻变化。

在本发明的一个实施例中，所述磁电随机存储单元还包括：一层或多层反铁磁钉扎层，所述反铁磁钉扎层设置在所述铁磁固定层的上方，用于固定所述铁磁固定层中的磁化方向。

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(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，所述铁磁固定层和/或所述铁磁自由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、镍铁钴合金和其他含有铁、钴、镍的合金。

在本发明的一个实施例中，所述隔离层由非磁性材料构成。具体地，所述非磁性材料包括铜、铬、含有铜和铬的合金、氧化铝和氧化镁。

在本发明的一个实施例中，所述反铁磁钉扎层包括以下材料中的任一种：铁锰合金、镍锰合金、铂锰合金和其他含有锰的合金材料。

本发明第二方面的实施例提出了一种磁电随机存储器，包括：磁电随机存储单元阵列，包括多个本发明第一方面实施例的磁电随机存储单元；多个访问晶体管，每个所述访问晶体管与每个所述磁电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平行，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垂直，且每根所述第一位线与每个所述磁电随机存储单元的铁磁固定层相连；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磁电随机存储单元的铁磁自由层相连。