一種新型存儲器件—磁電存儲器

摘要：磁電存儲器不僅存取速度快、功耗小，而且集動態(tài)RAM、磁盤存儲和高速緩沖存儲器功能于一身，因而已成為動態(tài)存儲器研究領(lǐng)域的一個熱點。文章總結(jié)了磁電存儲器的工作原理和特性，分析了它們的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，并對其應(yīng)用前景進行了展望。

１　引言

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

磁電存儲器根據(jù)其工作機制的不同，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、準自旋電子管存儲器以及磁隧道結(jié)存儲器。盡管以上幾種結(jié)構(gòu)存儲器的工作機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)問題等方面存在著不同。

２　磁電存儲器的基本工作原理

磁電存儲器中的數(shù)據(jù)存儲是通過直接附著于鐵磁薄膜上具有電感耦合效應(yīng)的導(dǎo)線來完成的。當電流脈沖通過導(dǎo)線時，將會在導(dǎo)線近表面形成一個平行于導(dǎo)線平面的磁場，此時電流的大小以其所耦合的磁場大于轉(zhuǎn)換磁場為標準，從而滿足其狀態(tài)設(shè)置為１或０的需要。由于對二維序列的存儲器要采用寫數(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單元里的磁化狀態(tài)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，同時改變字線電流方向即可存入相反的數(shù)據(jù)（如圖１）。由于字線電流過大會對字線下方所有存儲單元產(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)換存儲器狀態(tài)所需的電流值）。

    ２．１ 磁隧道結(jié)存儲器

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，電子電流可以通過隧穿效應(yīng)穿過勢壘層，而此時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。勢壘上的偏置電壓不同，器件阻值也不同。當偏置電壓較低時，電阻為歐姆量級，隨著偏置電壓的逐漸升高，該阻值將快速下降。這種存儲器的主要特點是底部鐵磁層的磁化方向始終不變，而存儲器則主要是根據(jù)頂部鐵磁層磁化方向的不同來實現(xiàn)信息存儲的；由于在讀取信息時，讀取信號線上的電流會有一部分垂直流過夾層，因此根據(jù)電阻的變化或者電壓的變化（與標準電阻或電壓相比）就可獲得數(shù)據(jù)。

２．２ 自旋電子管存儲器

自旋電子管的具體結(jié)構(gòu)與磁隧道結(jié)存儲器的結(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）。這種存儲器根據(jù)底部鐵磁層磁化方向的不同來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。讀取存儲單元中的信息時，可以給字線施加先正向后負向的等幅脈沖，以使該電流產(chǎn)生的磁場可以令自由轉(zhuǎn)換層的磁化方向發(fā)生改變，從而根據(jù)電阻變化來讀出存儲的數(shù)據(jù)。

２．３ 準自旋電子管存儲器

準自旋電子管結(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)換磁場較大（硬磁層），另一層的轉(zhuǎn)換磁場較?。ㄜ洿艑樱?。這種存儲器是根據(jù)硬磁層磁化方向的不同來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的。當給字線上施加合適的電流時，上下鐵磁層的磁化方向均發(fā)生改變，指向左邊代表存儲信息“１”，反之代表存儲信息“０”；當讀取存儲單元中的信息時，給字線施加先正向后負向的等幅脈沖，以產(chǎn)生使頂部鐵磁層的磁化方向發(fā)生改變的磁場，此時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，由此即可讀出存儲的數(shù)據(jù)。

３　磁電存儲器發(fā)展所面臨的問題

盡管磁電存儲器具有高速、工作電壓低以及密度高等特點，但是在真正實用化之前，仍然面臨著一些問題。

首先，磁性元件的加工與標準的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，這些工藝都會對半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)造成損傷。同時為了消除離子刻蝕所引起的損傷，都要經(jīng)過高溫退火，而這會引起不同物質(zhì)在界面處的相互擴散，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就會大幅度下降，當溫度達到４００℃時，ＭＲ大約會降低３０％。近來有研究表明，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２２％，并且經(jīng)過４８０Ｋ的高溫退火后，ＴＭＲ略有增加，直到５３０Ｋ時才開始下降，同時，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)，勢壘層必須采用Ａｌ２Ｏ３。

其次，為了獲得高密度的存儲器，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，這就使存儲器的性能受到尺寸、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)換磁場與固定層的轉(zhuǎn)換磁場分別隨著存儲單元寬度的減小而增大和減小。當寬度減小為０．５μｍ到０．２５μｍ時，存儲單元邊緣被腐蝕和氧化的影響越來越顯著，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一步減小，必須提高固定層的轉(zhuǎn)換磁場，同時消除工藝所帶來的負面影響。目前，Ｗ． Ｊ． Ｇａｌｌａｇｈｅｒ采用自對準工藝生產(chǎn)出性能優(yōu)良的亞微米量級的磁隧道結(jié)，該技術(shù)不僅獲得了無外場情況下穩(wěn)定的兩個磁狀態(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)的一致性都會對存儲器的性能產(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，此時集成的磁隧道結(jié)ＭＲ和電阻分別為２５％和７１１ｋΩμｍ２。但是，當襯底經(jīng)過刻蝕之后，不平整度會升高到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壘層出現(xiàn)針孔缺陷所致，由于該缺陷同時也會使磁性元件的ＭＲ降為２％～５％，從而導(dǎo)致存儲器性能退化。此外，磁隧道結(jié)存儲器的可靠性與絕緣勢壘層也有一定的關(guān)系，為了獲得合適的電阻，亞微米量級磁隧道結(jié)的勢壘層厚度約為０．７ｎｍ（６０Ωμｍ２）、０．９ｎｍ（１６０Ωμｍ２）或０．１１ｎｍ（８００Ωμｍ２）。這些數(shù)據(jù)都表明：勢壘層厚度的起伏會引起輸出信號的變化，甚至造成數(shù)據(jù)讀取錯誤。另一方面，為了實現(xiàn)ＭＲＡＭ數(shù)據(jù)的可靠存儲和讀取，需要適當?shù)馗郊尤哂啻鎯卧鼈儽仨毦哂型耆嗤霓D(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格控制。

４　結(jié)論

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

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

（２）因為ＭＲＡＭ主要應(yīng)用于電池供電的便攜式電話，因此要盡可能降低存儲器的功耗；

（３）提高磁電存儲器的速度。

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