一种新型存储器件—磁电存储器

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一种新型存储器件—磁电存储器

摘要：磁电存储器不仅存取速度快、功耗小，而且集动态RAM、磁盘存储和高速缓冲存储器功能于一身，因而已成为动态存储器研究领域的一个热点。文章总结了磁电存储器的工作原理和特性，分析了它们的发展现状及存在的问题，并对其应用前景进行了展望。    关键词：磁电存储器；磁隧道结；自旋电子管
１　引言
随着人们对各种磁电材料特性的深入研究，新型存储器—磁电存储器以其所特有的精巧设计和便于操作的优点，已经成为快速存储器的最佳选择。半导体存储器的控制栅和悬浮金属栅之间存在着库仑电荷，它们之间较强的库仑斥力使得两个栅必须用一层很厚的绝缘层隔离起来才能保证泄露电流降至最小，从而延长电荷在释放或存储时通过氧化层势垒的时间，增加读取和存储功耗。磁电存储器的这种工作机理不仅提高了存储器的速度、可靠性，降低了功耗，而且在存储单元尺寸、存储速度方面也完全可以与ＤＲＡＭ相比拟。
磁电存储器根据其工作机制的不同，大致可以分为三类：混和铁磁－半导体结构，磁隧道结结构以及全金属自旋晶体管。目前研究最多的是自旋电子管、准自旋电子管存储器以及磁隧道结存储器。尽管以上几种结构存储器的工作机制在某种程度上均依赖于铁磁元件的磁化方向，但是在读取机制方面却存在着差异；其次，在生产高密度、低功耗、高速ＲＡＭ的难易程度以及需要解决的技术问题等方面存在着不同。

２　磁电存储器的基本工作原理
磁电存储器中的数据存储是通过直接附着于铁磁薄膜上具有电感耦合效应的导线来完成的。当电流脉冲通过导线时，将会在导线近表面形成一个平行于导线平面的磁场，此时电流的大小以其所耦合的磁场大于转换磁场为标准，从而满足其状态设置为１或０的需要。由于对二维序列的存储器要采用写数据线的二维排布，因此，分别给字线和位线施加一定大小的脉冲电流，即可改变交汇处存储单元里的磁化状态以实现数据的存储，同时改变字线电流方向即可存入相反的数据（如图１）。由于字线电流过大会对字线下方所有存储单元产生影响，因此通常采用二分之一电流寻址方式（即字线电流和位线电流分别为ＩＳ ／２，其中Ｉｓ为转换存储器状态所需的电流值）。

    ２．１ 磁隧道结存储器
磁隧道结的基本结构如图２所示，其中上下两层为铁磁材料ＣｏＦｅ、Ｃｏ或ＮｉＦｅ，中间是绝缘势垒层Ａｌ２Ｏ３。这种结构的器件在电偏置条件下，电子电流可以通过隧穿效应穿过势垒层，而此时电子电流的大小依赖于铁磁薄膜的磁化方向，因此它是一种磁阻器件。势垒上的偏置电压不同，器件阻值也不同。当偏置电压较低时，电阻为欧姆量级，随着偏置电压的逐渐升高，该阻值将快速下降。这种存储器的主要特点是底部铁磁层的磁化方向始终不变，而存储器则主要是根据顶部铁磁层磁化方向的不同来实现信息存储的；由于在读取信息时，读取信号线上的电流会有一部分垂直流过夹层，因此根据电阻的变化或者电压的变化（与标准电阻或电压相比）就可获得数据。
２．２ 自旋电子管存储器
自旋电子管的具体结构与磁隧道结存储器的结构十分类似，也是一种夹层结构，上下两层为铁磁材料ＣｏＦｅ、Ｃｏ或ＮｉＦｅ，中间是导体层Ｃｕ。只是在顶部铁磁层之上还有一层反铁磁层（ＭｎＯ或者ＭｎＦｅ），它的作用是维持顶部铁磁层的磁化方向不发生改变。因此，顶部铁磁层又被称作固定层（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ），而底部铁磁层的磁化方向随着外加磁场的不同将发生变化，因此也被称作自由转换层（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）。这种存储器根据底部铁磁层磁化方向的不同来实现数据的存储。读取存储单元中的信息时，可以给字线施加先正向后负向的等幅脉冲，以使该电流产生的磁场可以令自由转换层的磁化方向发生改变，从而根据电阻变化来读出存储的数据。
２．３ 准自旋电子管存储器
准自旋电子管结构与自旋电子管的不同之处在于它不存在固定层和自由转换层，而只是其中一层的转换磁场较大（硬磁层），另一层的转换磁场较小（软磁层）。这种存储器是根据硬磁层磁化方向的不同来实现数据存储的。当给字线上施加合适的电流时，上下铁磁层的磁化方向均发生改变，指向左边代表存储信息“１”，反之代表存储信息“０”；当读取存储单元中的信息时，给字线施加先正向后负向的等幅脉冲，以产生使顶部铁磁层的磁化方向发生改变的磁场，此时由于底部铁磁层磁化方向维持不变，从而使读取电流所要流经的电阻阻值发生改变，如果存储信息为“１”，电阻由大变小，反之则由小变大，由此即可读出存储的数据。

３　磁电存储器发展所面临的问题
尽管磁电存储器具有高速、工作电压低以及密度高等特点，但是在真正实用化之前，仍然面临着一些问题。
首先，磁性元件的加工与标准的ＣＭＯＳ工艺存在不兼容性。例如磁隧道结和自旋电子管的加工需要采用氩离子干蚀工艺或者反应离子刻蚀工艺，这些工艺都会对半导体的结构造成损伤。同时为了消除离子刻蚀所引起的损伤，都要经过高温退火，而这会引起不同物质在界面处的相互扩散，从而使电阻阻值增大。如果磁性元件在３０℃以上的温度下暴露５分钟，ＭＲ就会大幅度下降，当温度达到４００℃时，ＭＲ大约会降低３０％ 。近来有研究表明，如果磁隧道结的硬磁层采用Ｃｏ／Ｃｕ结构，而软磁层采用Ｃｏ／Ｆｅ结构，则ＴＭＲ在室温下高达２２％，并且经过４８０Ｋ的高温退火后，ＴＭＲ略有增加，直到５３０Ｋ时才开始下降，同时，研究还发现，为了获得高温环境下更为稳定的磁隧道结，势垒层必须采用Ａｌ２Ｏ３。
其次，为了获得高密度的存储器，磁隧道结或自旋电子管的尺寸必须减小为微米到亚微米量级，这就使存储器的性能受到尺寸、形状以及其它结构参数和内在参数的影响。Ｅ． Ｙ． Ｃｈｅｎ发现，在自旋电子管结构中，自由转换层的转换磁场与固定层的转换磁场分别随着存储单元宽度的减小而增大和减小。当宽度减小为０．５μｍ到０．２５μｍ时，存储单元边缘被腐蚀和氧化的影响越来越显著，从而引起固定层的磁化方向与自由转换层的磁化方向一起改变，ＧＭＲ急剧下降。所以，随着电子管尺寸的进一步减小，必须提高固定层的转换磁场，同时消除工艺所带来的负面影响。目前，Ｗ． Ｊ． Ｇａｌｌａｇｈｅｒ采用自对准工艺生产出性能优良的亚微米量级的磁隧道结，该技术不仅获得了无外场情况下稳定的两个磁状态，而且在室温下获得了较高的ＭＲ（１５％－２０％）。
最后，衬底的不平整度以及磁性元件参数的一致性都会对存储器的性能产生直接影响。一般情况下，未经刻蚀的衬底不平整度低于０．４ｎｍ，此时集成的磁隧道结ＭＲ和电阻分别为２５％和７１１ｋΩμｍ２。但是，当衬底经过刻蚀之后，不平整度会升高到２．５ｎｍ～３．７ｎｍ，磁隧道结的电阻降为１４．５～１６ｋΩμｍ２，这是由于衬底的不平整引起绝缘势垒层出现针孔缺陷所致，由于该缺陷同时也会使磁性元件的ＭＲ降为２％～５％，从而导致存储器性能退化。此外，磁隧道结存储器的可靠性与绝缘势垒层也有一定的关系，为了获得合适的电阻，亚微米量级磁隧道结的势垒层厚度约为０．７ｎｍ（６０Ωμｍ２）、０．９ｎｍ（１６０Ωμｍ２）或０．１１ｎｍ（８００Ωμｍ２）。这些数据都表明：势垒层厚度的起伏会引起输出信号的变化，甚至造成数据读取错误。另一方面，为了实现ＭＲＡＭ数据的可靠存储和读取，需要适当地附加冗余存储单元，但它们必须具有完全相同的转换特性。这就要求同一晶片上的磁隧道结特性必须一致，同时铁磁转换层的特性和亚微米尺寸元件的形状也都需要加以严格控制。

４　结论
非挥发性、高密度的磁电存储器不仅存取速度快、功耗小，而且集动态ＲＡＭ、磁盘存储和高速缓冲存储器的功能于一身，因此是动态存储器研究领域的一个热点。目前，其主要工作集中于下列工艺和技术的探索上：
（１）将存储单元的尺寸缩小至微米量级并与现有生产工艺相兼容；
（２）因为ＭＲＡＭ主要应用于电池供电的便携式电话，因此要尽可能降低存储器的功耗；
（３）提高磁电存储器的速度。
尽管目前磁电存储器距离实用化尚需时日，但是如果能在磁电存储器的加工方面取得突破性进展，磁电存储器将很好地取代浮栅技术。

李小路

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