一種新型存儲(chǔ)器件―磁電存儲(chǔ)器

關(guān)鍵詞：磁電存儲(chǔ)器；磁隧道結(jié)；自旋電子管

１　引言

隨著人們對(duì)各種磁電材料特性的深入研究，新型存儲(chǔ)器―磁電存儲(chǔ)器以其所特有的精巧設(shè)計(jì)和便于操作的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為快速存儲(chǔ)器的最佳選擇。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的控制柵和懸浮金屬柵之間存在著庫(kù)侖電荷，它們之間較強(qiáng)的庫(kù)侖斥力使得兩個(gè)柵必須用一層很厚的絕緣層隔離起來(lái)才能保證泄露電流降至最小，從而延長(zhǎng)電荷在釋放或存儲(chǔ)時(shí)通過(guò)氧化層勢(shì)壘的時(shí)間，增加讀取和存儲(chǔ)功耗。磁電存儲(chǔ)器的這種工作機(jī)理不僅提高了存儲(chǔ)器的速度、可靠性，降低了功耗，而且在存儲(chǔ)單元尺寸、存儲(chǔ)速度方面也完全可以與ＤＲＡＭ相比擬。

磁電存儲(chǔ)器根據(jù)其工作機(jī)制的不同，大致可以分為三類：混和鐵磁－半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)以及全金屬自旋晶體管。目前研究最多的是自旋電子管、準(zhǔn)自旋電子管存儲(chǔ)器以及磁隧道結(jié)存儲(chǔ)器。盡管以上幾種結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的工作機(jī)制在某種程度上均依賴于鐵磁元件的磁化方向，但是在讀取機(jī)制方面卻存在著差異；其次，在生產(chǎn)高密度、低功耗、高速ＲＡＭ的難易程度以及需要解決的技術(shù)問(wèn)題等方面存在著不同。

２　磁電存儲(chǔ)器的基本工作原理

磁電存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是通過(guò)直接附著于鐵磁薄膜上具有電感耦合效應(yīng)的導(dǎo)線來(lái)完成的。當(dāng)電流脈沖通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，將會(huì)在導(dǎo)線近表面形成一個(gè)平行于導(dǎo)線平面的磁場(chǎng)，此時(shí)電流的大小以其所耦合的磁場(chǎng)大于轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)為標(biāo)準(zhǔn)，從而滿足其狀態(tài)設(shè)置為１或０的需要。由于對(duì)二維序列的存儲(chǔ)器要采用寫(xiě)數(shù)據(jù)線的二維排布，因此，分別給字線和位線施加一定大小的脈沖電流，即可改變交匯處存儲(chǔ)單元里的磁化狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，同時(shí)改變字線電流方向即可存入相反的數(shù)據(jù)（如圖１）。由于字線電流過(guò)大會(huì)對(duì)字線下方所有存儲(chǔ)單元產(chǎn)生影響，因此通常采用二分之一電流尋址方式（即字線電流和位線電流分別為ＩＳ ／２，其中Ｉｓ為轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器狀態(tài)所需的電流值）。

２．１ 磁隧道結(jié)存儲(chǔ)器

磁隧道結(jié)的基本結(jié)構(gòu)如圖２所示，其中上下兩層為鐵磁材料ＣｏＦｅ、Ｃｏ或ＮｉＦｅ，中間是絕緣勢(shì)壘層Ａｌ２Ｏ３。這種結(jié)構(gòu)的器件在電偏置條件下，電子電流可以通過(guò)隧穿效應(yīng)穿過(guò)勢(shì)壘層，而此時(shí)電子電流的大小依賴于鐵磁薄膜的磁化方向，因此它是一種磁阻器件。勢(shì)壘上的偏置電壓不同，器件阻值也不同。當(dāng)偏置電壓較低時(shí)，電阻為歐姆量級(jí)，隨著偏置電壓的逐漸升高，該阻值將快速下降。這種存儲(chǔ)器的主要特點(diǎn)是底部鐵磁層的磁化方向始終不變，而存儲(chǔ)器則主要是根據(jù)頂部鐵磁層磁化方向的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)的；由于在讀取信息時(shí)，讀取信號(hào)線上的電流會(huì)有一部分垂直流過(guò)夾層，因此根據(jù)電阻的變化或者電壓的變化（與標(biāo)準(zhǔn)電阻或電壓相比）就可獲得數(shù)據(jù)。

２．２ 自旋電子管存儲(chǔ)器

自旋電子管的具體結(jié)構(gòu)與磁隧道結(jié)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)十分類似，也是一種夾層結(jié)構(gòu)，上下兩層為鐵磁材料ＣｏＦｅ、Ｃｏ或ＮｉＦｅ，中間是導(dǎo)體層Ｃｕ。只是在頂部鐵磁層之上還有一層反鐵磁層（ＭｎＯ或者ＭｎＦｅ），它的作用是維持頂部鐵磁層的磁化方向不發(fā)生改變。因此，頂部鐵磁層又被稱作固定層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ），而底部鐵磁層的磁化方向隨著外加磁場(chǎng)的不同將發(fā)生變化，因此也被稱作自由轉(zhuǎn)換層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）。這種存儲(chǔ)器根據(jù)底部鐵磁層磁化方向的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。讀取存儲(chǔ)單元中的信息時(shí)，可以給字線施加先正向后負(fù)向的等幅脈沖，以使該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以令自由轉(zhuǎn)換層的磁化方向發(fā)生改變，從而根據(jù)電阻變化來(lái)讀出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

２．３ 準(zhǔn)自旋電子管存儲(chǔ)器

準(zhǔn)自旋電子管結(jié)構(gòu)與自旋電子管的不同之處在于它不存在固定層和自由轉(zhuǎn)換層，而只是其中一層的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)較大（硬磁層），另一層的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)較?。ㄜ洿艑樱＿@種存儲(chǔ)器是根據(jù)硬磁層磁化方向的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的。當(dāng)給字線上施加合適的電流時(shí)，上下鐵磁層的磁化方向均發(fā)生改變，指向左邊代表存儲(chǔ)信息“１”，反之代表存儲(chǔ)信息“０”；當(dāng)讀取存儲(chǔ)單元中的信息時(shí)，給字線施加先正向后負(fù)向的等幅脈沖，以產(chǎn)生使頂部鐵磁層的磁化方向發(fā)生改變的磁場(chǎng)，此時(shí)由于底部鐵磁層磁化方向維持不變，從而使讀取電流所要流經(jīng)的電阻阻值發(fā)生改變，如果存儲(chǔ)信息為“１”，電阻由大變小，反之則由小變大，由此即可讀出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

３　磁電存儲(chǔ)器發(fā)展所面臨的問(wèn)題

盡管磁電存儲(chǔ)器具有高速、工作電壓低以及密度高等特點(diǎn)，但是在真正實(shí)用化之前，仍然面臨著一些問(wèn)題。

首先，磁性元件的加工與標(biāo)準(zhǔn)的ＣＭＯＳ工藝存在不兼容性。例如磁隧道結(jié)和自旋電子管的加工需要采用氬離子干蝕工藝或者反應(yīng)離子刻蝕工藝，這些工藝都會(huì)對(duì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)造成損傷。同時(shí)為了消除離子刻蝕所引起的損傷，都要經(jīng)過(guò)高溫退火，而這會(huì)引起不同物質(zhì)在界面處的相互擴(kuò)散，從而使電阻阻值增大。如果磁性元件在３０℃以上的溫度下暴露５分鐘，ＭＲ就會(huì)大幅度下降，當(dāng)溫度達(dá)到４００℃時(shí)，ＭＲ大約會(huì)降低３０％。近來(lái)有研究表明，如果磁隧道結(jié)的硬磁層采用Ｃｏ／Ｃｕ結(jié)構(gòu)，而軟磁層采用Ｃｏ／Ｆｅ結(jié)構(gòu)，則ＴＭＲ在室溫下高達(dá)２２％，并且經(jīng)過(guò)４８０Ｋ的高溫退火后，ＴＭＲ略有增加，直到５３０Ｋ時(shí)才開(kāi)始下降，同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，為了獲得高溫環(huán)境下更為穩(wěn)定的磁隧道結(jié)，勢(shì)壘層必須采用Ａｌ２Ｏ３。

其次，為了獲得高密度的存儲(chǔ)器，磁隧道結(jié)或自旋電子管的尺寸必須減小為微米到亞微米量級(jí)，這就使存儲(chǔ)器的性能受到尺寸、形狀以及其它結(jié)構(gòu)參數(shù)和內(nèi)在參數(shù)的影響。Ｅ． Ｙ． Ｃｈｅｎ發(fā)現(xiàn)，在自旋電子管結(jié)構(gòu)中，自由轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)與固定層的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)分別隨著存儲(chǔ)單元寬度的減小而增大和減小。當(dāng)寬度減小為０．５μｍ到０．２５μｍ時(shí)，存儲(chǔ)單元邊緣被腐蝕和氧化的影響越來(lái)越顯著，從而引起固定層的磁化方向與自由轉(zhuǎn)換層的磁化方向一起改變，ＧＭＲ急劇下降。所以，隨著電子管尺寸的進(jìn)一步減小，必須提高固定層的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)，同時(shí)消除工藝所帶來(lái)的負(fù)面影響。目前，Ｗ． Ｊ． Ｇａｌｌａｇｈｅｒ采用自對(duì)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)出性能優(yōu)良的亞微米量級(jí)的磁隧道結(jié)，該技術(shù)不僅獲得了無(wú)外場(chǎng)情況下穩(wěn)定的兩個(gè)磁狀態(tài)，而且在室溫下獲得了較高的ＭＲ（１５％－２０％）。

最后，襯底的不平整度以及磁性元件參數(shù)的一致性都會(huì)對(duì)存儲(chǔ)器的性能產(chǎn)生直接影響。一般情況下，未經(jīng)刻蝕的襯底不平整度低于０．４ｎｍ，此時(shí)集成的磁隧道結(jié)ＭＲ和電阻分別為２５％和７１１ｋΩμｍ２。但是，當(dāng)襯底經(jīng)過(guò)刻蝕之后，不平整度會(huì)升高到２．５ｎｍ～３．７ｎｍ，磁隧道結(jié)的電阻降為１４．５～１６ｋΩμｍ２，這是由于襯底的不平整引起絕緣勢(shì)壘層出現(xiàn)針孔缺陷所致，由于該缺陷同時(shí)也會(huì)使磁性元件的ＭＲ降為２％～５％，從而導(dǎo)致存儲(chǔ)器性能退化。此外，磁隧道結(jié)存儲(chǔ)器的可靠性與絕緣勢(shì)壘層也有一定的關(guān)系，為了獲得合適的電阻，亞微米量級(jí)磁隧道結(jié)的勢(shì)壘層厚度約為０．７ｎｍ（６０Ωμｍ２）、０．９ｎｍ（１６０Ωμｍ２）或０．１１ｎｍ（８００Ωμｍ２）。這些數(shù)據(jù)都表明：勢(shì)壘層厚度的起伏會(huì)引起輸出信號(hào)的變化，甚至造成數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)ＭＲＡＭ數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)和讀取，需要適當(dāng)?shù)馗郊尤哂啻鎯?chǔ)單元，但它們必須具有完全相同的轉(zhuǎn)換特性。這就要求同一晶片上的磁隧道結(jié)特性必須一致，同時(shí)鐵磁轉(zhuǎn)換層的特性和亞微米尺寸元件的形狀也都需要加以嚴(yán)格控制。

４　結(jié)論

非揮發(fā)性、高密度的磁電存儲(chǔ)器不僅存取速度快、功耗小，而且集動(dòng)態(tài)ＲＡＭ、磁盤存儲(chǔ)和高速緩沖存儲(chǔ)器的功能于一身，因此是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，其主要工作集中于下列工藝和技術(shù)的探索上：

（１）將存儲(chǔ)單元的尺寸縮小至微米量級(jí)并與現(xiàn)有生產(chǎn)工藝相兼容；

（２）因?yàn)椋停遥粒椭饕獞?yīng)用于電池供電的便攜式電話，因此要盡可能降低存儲(chǔ)器的功耗；

（３）提高磁電存儲(chǔ)器的速度。

盡管目前磁電存儲(chǔ)器距離實(shí)用化尚需時(shí)日，但是如果能在磁電存儲(chǔ)器的加工方面取得突破性進(jìn)展，磁電存儲(chǔ)器將很好地取代浮柵技術(shù)。