[发明专利]一种电压可调的磁阻变随机存储单元及其随机存储器

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。