[发明专利]采用异质结材料的磁性随机存储器

说明书

本发明公开了一种采用异质结材料的磁性随机存储器，包括衬底、以及若干呈阵列分布于衬底上的存储单元，各所述存储单元从上至下依次包括顶部金属层、自由层、氧化层、固定层及钉扎层。其中，所述顶部金属层和钉扎层均采用PtMn材料，自由层和固定层均为磁性并采用La_0.7Sr_0.3MnO₃/BiFeO₃异质结材料，氧化层采用MgO材料。所述固定层和钉扎层还设有Pt薄膜层。本发明降低磁性随机存储器的功耗，提高稳定性和运行速度。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种采用异质结材料的磁性随机存储器。

背景技术

存储器广泛应用于计算机、网络存储、物联网、国家安全等重要领域，是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。在计算机的运算过程中，输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都会保存在存储器里，是现代信息技术器件的核心部件之一。

随着现代信息技术的发展，人们对存储器提出了更高的要求，希望存储器体积更小，存储量更大，读写更快，数据存储更加稳定，功耗更小。在过去的十年中，利用电流来操纵磁化引起了很多研究关注。但是传统的磁性随机存储器，使用单一的磁性材料，利用巨磁阻效应等读取信息，利用电流写入信息，还是存在能耗高，稳定性差等缺点。多铁性材料或为存储器研究提供了电场调控磁性的新途径。

多铁性材料(multiferroics)是指包含两种及两种以上铁的性能的材料，这些性能包括铁电性(反铁电性)，铁磁性(反铁磁性、亚铁磁性)和铁弹性。是一种集电与磁性能于一身的多功能材料。多铁性材料中存在大量的原子或离子，它们之间相互作用，产生的某种自发序参量,在某些区域中按照同一方向排列,形成一种自发的有序结构，这种相互耦合使彼此相互调控成为可能。一般磁化和电极化强度只能各自由磁场和电场调控,而多铁性材料中铁电性和磁性是共存且耦合, 这就可以实现电场调控磁性和磁场调控电极化。尤其是电场调控磁性，该性能可以有效地降低功耗存储器写入信息时的功耗。多铁异质结则是人为的将两种多铁性材料相结合，能够在室温下得到更大的磁电耦合效应，因此受到研究者们的青睐。

2008年，N.Nakagawa课题组报道了针对LaAlO₃/SrTiO₃界面，通过设计极化不连续界面，使界面屏蔽电荷发生迁移，甚至控制能带的偏移量，进而提高该异质结器件的性能。2012年，P.Yu课题组将这个理论应用在BFO/LSMO结构上。通过第一原理计算得到界面终结面和铁电极化的关系，并指出通过控制终止面能够得到铁电体的不同极化状态。主要原理为界面偶极子引起的铁电偶极子和界面静电势能梯度的耦合。2014年，国防科学技术大学胡绍民研究组研究得出 BiFeO₃(BFO)的铁电极化强度可高达100μC/cm²，其铁电极化可随外加电场而转向，因此可以实现信息的“电写入”。此外，BFO电极化状态不同带来双折射色散Δn经第一原理计算比常规材料大近两个数量级，因此BFO还具有电光特性，可实现信息的“光读取”。经过仿真得出，若BiFeO₃/Pt组合在一起，该异质结构存在共振吸收现象。且随着铁酸铋薄膜厚度的增加，膜系结构的共振吸收现象越明显，而且吸收峰的个数也会增加，电光调制性能显著。2019年中国科学技术大学王占杰研究组对La_0.7Sr_0.3MnO₃(LSMO和)BiFeO₃(BFO)异质结构的磁性展开了研究，阐明了LSMO/BFO异质结交换偏置效应的起源，通过dM/dT-T 曲线确定了LSMO/BFO异质结的居里温度为290K，根据公式HC＝|H₁-H₂|/2和 HEB＝|H₁+H_2|/2计算LSMO/BFO异质结的矫顽场和交换偏置场，LSMO/BFO异质结大约有46Oe的交换偏置场，远大于LMO/BFO异质结，这意味着LSMO/BFO异质结具有更强的界面磁耦合。

发明内容