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一種新型存儲(chǔ)器件—磁電存儲(chǔ)器
摘要：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)器功能于一身，因而已成為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。文章總結(jié)了磁電存儲(chǔ)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(jìn)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(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侖電荷，它們之間較強(qiáng)的庫侖斥力使得兩個(gè)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(chǔ)時(shí)通過氧化層勢壘的時(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(dāng)電流脈沖通過導(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，此時(shí)電流的大小以其所耦合的磁場大于轉(zhuǎn)換磁場為標(biāo)準(zhǔn)，從而滿足其狀態(tài)設(shè)置為１或０的需要。由于對二維序列的存儲(chǔ)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(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）。由于字線電流過大會(huì)對字線下方所有存儲(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(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，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實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)的；由于在讀取信息時(shí)，讀取信號線上的電流會(huì)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(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(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)換磁場較大（硬磁層），另一層的轉(zhuǎn)換磁場較�。ㄜ洿艑樱�。這種存儲(chǔ)器是根據(jù)硬磁層磁化方向的不同來實(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，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４８０Ｋ的高溫退火后，ＴＭＲ略有增加，直到５３０Ｋ時(shí)才開始下降，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，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)換磁場與固定層的轉(zhuǎn)換磁場分別隨著存儲(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
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