相变自旋非易失存储单元的制作方法
【专利说明】
[0001] 本案是申请人在2015年6月8日申请的申请号为201510307513. 1，名称为"相变 自旋非易失存储单元"的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种相变自旋非易失存储单元。
【背景技术】
[0003] 存储器是信息产业中重要的组成部件之一，如何发展新型的低成本、高密度、速度 快、长寿命的非易失存储器一直是信息产业研究的重要方向。
[0004] 目前常用的非易失存储器包括相变存储器以及磁存储器。相变存储器是一种非磁 性存储器，其在存储过程中，利用相变材料的非晶态(高阻态）和晶态(低阻态）两种状态间 阻值的变化进行数据存储。相变存储器虽然能提供比传统DRAM更高的可扩展性，却存在写 次数有限、读写性能不对称等问题。而且由于改变相变存储器状态需要的延时和能量都比 较高，使得其在写操作性能和功耗方面处于劣势。磁存储器虽然具有高的集成度，却存在读 写延迟较高的问题，而且目前磁存储器的材料比较复杂，导致目前磁存储器的成本都较高。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，确有必要提供一种具有低功耗、成本低且读写性能较好的相变自旋非 易失存储单元。
[0006] -种相变自旋非易失存储单元，包括磁固定层、间隔层、磁自由层，所述磁固定层、 间隔层以及磁自由层依次层叠设置，其中，所述间隔层的材料为相变材料，所述相变材料为 晶态相变材料或非晶态相变材料。
[0007] 相较于现有技术，本发明提供的相变自旋非易失存储单元中采用相变材料作为间 隔层的材料，大大地降低了该相变自旋非易失存储单元的功耗、制作工艺和成本，且有效地 提高了该相变自旋非易失存储单元的读写性能，从而使该相变自旋非易失存储单元易于大 规模的生产以及商业化应用。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明第一实施例提供的相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
[0009] 图2为本发明第一实施例a提供的相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
[0010] 图3为本发明第一实施例b提供的相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
[0011] 图4为本发明第一实施例提供的相变自旋非易失存储单元作为非易失数字存储 器写入数据的工作原理示意图。
[0012] 图5为本发明第一实施例提供的相变自旋非易失存储单元作为非易失数字存储 器读出数据的工作原理示意图。
[0013] 图6为本发明第一实施例提供的相变自旋非易失存储单元作为忆阻器读写数据 的工作原理示意图。
[0014] 图7为本发明第二实施例提供的相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
[0015] 图8为本发明第三实施例提供的相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
[0016] 图9为本发明第三实施例a提供的相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
[0017] 图10为本发明第三实施例b提供的相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
[0018] 图11为本发明第四实施例提供的相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
[0019] 图12为本发明第五实施例提供的相变自旋非易失存储单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021] 以下将对本发明实施例提供的相变自旋非易失存储单元作进一步说明。
[0022] 请参阅图1，本发明第一实施例提供一种相变自旋非易失存储单元10,该相变自 旋非易失存储单元10为一磁存储单元，包括磁固定层102、间隔层104、磁自由层106、第一 电极108以及第二电极110,其中所述磁固定层102、间隔层104以及磁自由层106依次层 叠设置，所述第一电极108设置在所述磁固定层102表面，所述第二电极110设置在所述磁 自由层106表面，所述间隔层104的材料为相变材料。
[0023] 所述磁固定层102、间隔层104以及磁自由层106依次层叠设置。具体地，所述间 隔层104设置在所述磁固定层102和磁自由层106之间，且该间隔层104分别与所述磁固 定层102和磁自由层106接触接触设置。
[0024] 所述磁固定层102以及磁自由层106的材料相同，为磁性材料。该磁性材料可以 为磁性合金或磁性单质金属。优选地，所述磁固定层102和磁自由层106的材料为赫斯勒 (Heusler)合金。该Heusler合金具有半金属性（halfmetallic),理论上有高自旋流入 射（spininjection)效率，因此小写入电流和读出电流也能使所述非易失存储单元工作， 从而可有效地降低该非易失存储单元的功耗。
[0025] 所述间隔层104用于间隔所述磁固定层102和磁自由层106。该间隔层104的材料 为所述相变材料。所述相变材料可以为硫系化合物。优选地，所述相变材料为二元、三元或 四元硫系化合物，如可包括两类硫系化合物，一类为（GeTe)x (Sb2Te3)y，其中，X和y为整数。 另一类为Sb-Te二元化合物与少量如In、Ag、Bi、Ga、Se、Ti、Sn和Ge中至少一种的混合物。 该硫系化合物包括但不限于：Ge-Te、Sb-Te、Bi-Te、Ge-Sb、Sn-Te、Sb-Se、In-Se、Ge-Sb-Te、 In-Sb-Te、As-Sb-Te、Sn-Sb-Te、Ge-Te-Sn、Sb-Se-Bi、Ga-Te-Se、Ge-Te-Ti、Ge-Te-Sn-O、Ge-Te-Sn-Ag、Ag-In-Sb-Te及其混合合金中的至少一种。更为优选地，所述硫系化合物为 Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4、Ge1Sb4Te7、GeTe、GeSb、Sb2Te3、Sb70Te30、Ag5In5Sb60Te30、Bi2Te3W&Sb2Se3 中的至少一种。本发明实施例中选取Ge-Sb-Te作为所述间隔层的材料。
[0026] 该相变材料具有两种相变状态：晶态（crystalline)和非晶态（amorphous)。该相 变自旋非易失存储单元10中的的间隔层104为晶态相变材料或非晶态相变材料。对应不 同的相变状态可形成不同类型的所述相变自旋非易失存储单元10。需要说明的是，本发明 第一实施例中并非利用所述相变材料的工作过程中的相变来实现存储，而是固定选择晶态 或非晶态相变材料作为所述间隔层104。具体地，该相变自旋非易失存储单元10可以为巨 磁阻效应节或隧穿磁阻效应节。
[0027] 请参阅图2,本发明第一实施例a中，所述相变自旋非易失存储单元10为相变自 旋非易失存储单元l〇a，该相变自旋非易失存储单元10a为巨磁阻效应节，或者说，将巨磁 阻效应节应用于所述相变自旋非易失存储单元l〇a中。其中，该相变自旋非易失存储单元 l〇a间隔层104a的材料为晶态相变材料。该晶态相变材料呈金属性，具有较高的导电性。
[0028] 请参阅图3,本发明第一实施例b中，所述相变自旋非易失存储单元10为相变自旋 非易失存储单元l〇b，该相变自旋非易失存储单元10b为隧穿磁阻效应节，或者说，将隧穿 磁阻效应节应用于所述相变自旋非易失存储单元l〇b中。其中，该相变自旋非易失存储单 元l〇b间隔层104b的材料为非晶态相变材料。该非晶态相变材料呈绝缘性。
[0029] 所述巨磁阻效应节和隧穿磁阻效应节的工作原理为：带负电的电子从所述磁固 定层102 -侧注入巨磁阻效应节或隧穿磁阻效应节时，自旋极化电流引起的自旋转移矩 (spintransfertorque)使得所述磁自由层106内的磁化方向翻转（假设初始时磁固定 层102和磁自由层106中的磁化方向相反），获得巨磁阻效应节