专利名称：多位多铁性存储器元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于存储器的存储器元件(存储器基元)的领域。
背景技术：
存储器为集成电路的主要类别。其主要被用作固态独立以及嵌入式存储器。最广泛使用的存储器技术为DRAM、SRAM、浮置栅极(闪速存储器)以及MRAM。此等现有技术均不能以高面积密度加以集成且不能同时提供非易失性和快速操作。特别地，闪速存储器对于许多嵌入式应用而言太慢，SRAM及DRAM在自电源断开时释放其存储器状态，且SRAM及 MRAM仅可以有限的面积密度加以制造。在NROM、MirrorBit以及SONOS闪存中达到最高密度，其包含电荷俘获层以储存两个物理分离的电荷封包。闪速存储器的高编程电压使与 CMOS电路的集成变得复杂。因此，需要提供一种克服先前技术的存储器基元的缺陷的存储器元件。尤其为，需要提供一种非易失性且此外使高面积密度和/或快速操作成为可能的存储器元件。
发明内容
根据本发明的第一方面的存储器元件包括源极-漏极-栅极功能结构，亦即，在其之间建立有沟道区域的源极电极和漏极电极，其中依赖于将电信号施加至栅极，电荷载流子可在源极电极与漏极电极之间流动。优选地，沟道区域可包括半导体或绝缘材料(因此包含至多同等少数自由电荷载流子)或经掺杂为导电；可以许多不同方式来配置沟道区域；优选地，沟道区域提供足够大的电阻以允许栅极(一方面)与源极电极或漏极电极(另一方面)之间的独立电压信号。栅极包括多铁性材料(因此为具有至少两个耦合有序参数的材料)。多铁性材料通常为设置位于栅极电极(一方面)与源极电极和漏极电极(另一方面)之间。存储器元件经形成为2位存储器元件。这通过使多铁性材料包括两个稳定畴而实现，其中第一畴的切换状态通过在栅极电极与源极电极之间施加第一“写入”电压信号加以设定，且第二畴的切换状态通过在栅极电极与漏极电极之间施加第二“写入”电压信号加以设定。该畴可选地(例如)藉由其之间的裂缝或畴壁钉扎结构而物理分离。或者或此外，在本发明的优选实施例中，其可通过致使“写入”信号控制始终同时施加第一写入脉冲及第二写入脉冲而发生，即使两个位中的仅一者要重写。因为两个畴使两个位能够储存于单一存储器元件中，所以与先前技术的存储器元件相比较，面积密度增加。虽然与仅具有一个畴的类似存储器元件相比较，接触等等(其占用器件上的大部分区域)相同，但存储器密度被增加2倍，因为通过根据本发明所提议的简单测量的存储器元件包含两个信息位。铁电性材料具有稳定且可通过经施加电场而迟滞地切换的自发极化。铁磁性材料具有稳定且可通过施加的磁场而切换的自发磁化。多铁性材料具有同时铁电性有序化以及磁有序化。此等两个有序参数是耦合的。存在铁磁性、次铁磁性及反铁磁性多铁性体(multiferroics)。因此，多铁性材料畴可通过跨越其施加第一电压信号和第二电压信号(例如，通过施加电场脉冲)加以编程。归因于铁磁性、次铁磁性或反铁磁性有序参数至铁电性有序参数的耦合，同样导致该铁磁性、次铁磁性或反铁磁性有序参数被编程。对于“读取”操作，可使用自旋阀效应(spin valve effect) 0自旋阀效应导致可切换源极电极与漏极电极之间的电阻(对于在至少一方向上在源极电极与漏极电极之间流动的电流)。为此目的，漏极电极和源极电极两者均优选地为铁磁性的或至少包括铁磁性元件。同样，多铁性材料能够影响流至源极电极或漏极电极的电荷载流子的磁矩的相对取向以及源极电极或漏极电极的磁化的相对取向。这可以两种可能方式中的一者进行-作为第一替代例，多铁性材料可导致产生状态依赖磁场，磁场影响在导电沟道中流动的电荷载流子的磁矩。因此，铁磁性/次铁磁性/反铁磁性有序参数的切换导致沟道区域中磁场的切换。此可通过以下各项进行〇栅极铁磁体(或潜在地为栅极次铁磁体；在本文中，定义“栅极铁磁体”、“铁磁体”、“铁磁性层”或“铁磁性材料”包括相符次铁磁性材料，熟习此项技术者知晓铁磁体的功能亦可通过次铁磁体实现)耦合至多铁性材料；接着，栅极铁磁体与多铁性材料进行直接接触(在中间无任何物的情况下进行直接接触)，〇接着，铁磁性(或次铁磁性)多铁性材料自身产生足够大的杂散场。-作为第二替代例，第一畴和第二畴的铁磁性/次铁磁性/反铁磁性有序参数的切换可分别导致源极电极和漏极电极的磁化方向的切换，使得自旋阀改变电荷载流子磁矩的优选取向。为此目的，源极电极直接交换耦合至多铁性材料的第一畴，且漏极电极交换耦合至第二畴。这与用于导致流至源极电极和漏极电极的电荷载流子的磁矩具有预定的优选取向的装置(例如，固定磁化(钉扎)栅极铁磁体，其杂散场在电荷载流子流入沟道区域时取向电荷载流子的磁矩)组合。在任一状况下，用于第一位和第二位的“读取”过程分别依靠导致电荷载流子流至源极电极和漏极电极的电流的产生。优选地，这通过在源极电极与漏极电极之间施加“读取”脉冲而达成。在大多数一般状况下，上述自旋阀效应导致电压-电流特性为极性依赖的。依赖于“读取”脉冲的极性，读取第一位或第二位。这还表明存储器元件不为完全随机存取类型，因为不能同时读取第一位和第二位。然而，可能同时读取存储器中不同存储器元件的位。存储器元件以具有非易失性的优点为特征，因为多铁性材料的铁电性有序参数和磁性有序参数是非易失性的。归因于其非易失性特性，可期望低功率消耗。同样，改变多铁性元件的铁电性极化为固有快速过程(50pS-lnS)。因此，根据本发明的存储器元件与闪速存储器(Iys)相比较具有显著编程速度优势。另外，存储器元件可实施于简单的小型单位基元(仅具有6F2的所需空间，在无任何额外电阻器或电容器的1-晶体管结构中)中，且因此与先前技术的存储器元件相比较适于以更高面积密度的集成。同样，其在用于较小单元时良好地按比例调整，因为其不包含任何电容器。存储器元件的又一优点(尤其与MRAM相比较)为降低的写入能量(约10_15焦耳 /位，相对于MRAM的10_"焦耳/位)。
4
存储器元件的再一优点(尤其与闪速存储器相比较)为较低的编程电压(大约 IV，相对于闪速存储器的15V)。可能的铁磁性多铁性体包括方硼石(Ni3B7O13I)、钙钛矿(例如，BiMnO3及TbMnO3) 及硫酸盐(诸如，CdCr2S4)。然而，在此等当前已知材料中，耦合有序参数仅在低温下是非零的，使得存储器元件及以其制得的器件主要适于可接受冷却装置的特殊应用。在优选实施例中，元件包含冷却装置。优选地，通过该冷却装置所提供的存储器元件的操作温度低于100开尔文(Kelvin)。然而，根据尤其优选实施例，多铁性材料为耦合(一般通过交换偏压耦合)至栅极铁磁体或漏极电极和源极电极且钉扎栅极铁磁体或漏极电极和源极电极的多铁性反铁磁体。此“铁磁体钉扎”实施例首先以已知反铁磁性多铁性体比其铁磁性对应物更加温度稳定的优点为特征。同样，存在超顺磁极限(亦即，基元中磁性层的磁各向异性变得与kT相当时的尺寸，其中k为波耳兹曼(Boltzmarm)常数且T为绝对温度，使得磁化在彼极限以下变得不稳定)不是反铁磁体中的问题的特殊优点，使得单元可被设计为同等较小且仍是稳定的。可用的反铁磁性多铁性材料的实例为Bii^e03。根据本发明的存储器元件可用作纯存储器器件的存储器基元以及包括可编程逻辑的逻辑电路中的存储器基元两者。可在欧洲专利申请案EP08104301.0中发现可并入有根据本发明的存储器器件的该等逻辑电路的实例。因此，归因于根据本发明的方法，可在无附加掩蔽步骤的情况下集成存储器和逻辑电路，这为该集成电路提供了显著的制造成本优
点ο
在下文中，将参看附图来描述本发明的实施例。附图均为示意性的且未按比例。在附图中，相同的参考标号指代相同或相应元件。图1展示根据本发明的存储器元件的第一实施例的横截面；图2描绘根据本发明的存储器元件的第二替代实施例的横截面；图3a至图6c展示由图2的装置所采取的四个逻辑状态的“写入”步骤以及“读取”步骤；图7描绘根据本发明的存储器元件的又一替代实施例的横截面；图至图Ilc展示由图7的装置所采取的四个逻辑状态的“写入”步骤以及“读取”步骤；以及图12展示根据本发明的存储器元件的再一实施例。
具体实施例方式在诸图所描绘的元件的铁磁性材料中，实心箭头通常指示固定磁化。固定磁化可为以某一方式加以钉扎的磁化，其具有高于在正常操作期间作用于其上的有效场的总和的矫顽场，或其经以其它方式影响以不在编程元件的正常操作期间改变磁化方向。空心箭头指示可通过编程电压脉冲信号而切换的磁化。在钉扎磁化的状况下，诸图中未展示钉扎层。 铁磁性层的钉扎为熟习磁性存储器领域者例如自MRAM存储器所熟知。此处不再进一步论述钉扎。图1所描绘的存储器元件1在衬底3上包含源极电极12及漏极电极13，源极电极12及漏极电极13两者均具有铁磁性导电材料，例如，钴合金或高导磁合金(permalloy) (FeNiCo合金)。在源极电极与漏极电极之间例如通过衬底中的η型掺杂区域或以任何其它适当方式而形成导电沟道21 ；但导电沟道可能无需包含与衬底3相同的材料。衬底可为任何已知或其它适当衬底，诸如，半导电衬底，例如，砷化镓或硅。所描绘实施例中的衬底为被参考电压接触(即，地面接触8(或“体(bulk) ”接触))所接触。如此项技术中已知，在例如源极电极12与地面接触8之间可存在(未描绘)连接，使得源极电极12始终处于地面电势(或视情况处于其它参考电势)，或作为一替代例，在栅极电极与地面接触之间可存在连接，如下文进一步所描述。存储器元件1进一步包括栅极，栅极包括栅极电极17、铁磁性层14 (具有任何铁磁性导电材料)以及夹于栅极电极与铁磁性层之间的反铁磁性多铁性层15。铁磁性层为通过介电层16而与源极电极12和漏极电极13以及导电沟道21绝缘。多铁性层15交换耦合至铁磁性层。因此，多铁性层的有序参数的切换还导致紧邻的铁磁性层的有序参数的切换(因此导致磁化的切换)。由多铁性层15及铁磁性层14组成的耦合双层现在为使得其可包含两个稳定畴 14. 1,15. 1 ； 14. 2,15. 2。该图中的虚线18描绘第一畴14. 1,15. 1与第二畴14. 2、15. 2之间的电势分离线。可通过固定位置处的被有目的地添加的结构来分离畴。该结构起局部地分裂双层的作用或充当畴壁钉扎装置。该结构可例如为虚线的位置处的微缝隙，或杂质或类似钉扎畴壁。作为被有目的地添加的结构的替代例，双层亦可缺乏用以分离畴的任何被有目的地添加的结构。则畴可位于非预定义位置中且可仅分别藉由在漏极电极和源极电极附近导致不同有序参数方向而发生。在任何状况下，双层必须为各向异性且足够大的尺寸以在已切断场之后维持两个畴，亦即，在任何状况下，两个畴必须是稳定的，使得存储器元件为非易失性的。已在降至 (例如)20nm或甚至更小的极小尺寸的结构中预测并观测到两个磁性稳定畴的共存。使畴稳定的双层的尺寸的下限依赖于各向异性，各向异性又依赖于双层的材料组成。可分别在栅极电极17与源极电极12之间或在栅极电极17与漏极电极13之间施加用于两个畴的“写入”电压信号。为此目的，优选使多铁性层15及介电层16的厚度及导电性彼此适应，使得跨越多铁性层的电压降对应于栅极电极与源极电极或漏极电极之间的电压的大部分(优选地为至少一半)。通过写入电压信号，可在四种状态(每一畴两种状态)之间切换多铁性材料的自发极化，如参看图3a至图6c更详细的解释。因为材料为多铁性的，所以自发极化的切换还例如藉由颠倒多铁性材料中“向上”及“向下”磁化层的顺序而切换相符反铁磁性有序参数。 铁磁性层14 (紧邻于多铁性层1 交换耦合至多铁性层。由此，多铁性材料的畴15. 1,15.2 中铁电性自发极化的切换具有同样切换铁磁性层畴14. 1,14. 2的磁化方向的效应。图2的存储器元件1设计不同于图1的设计之处在于多铁性层15的顺序与铁磁性层14的顺序颠倒。多铁性层15夹于铁磁性层14( 一侧)与导电沟道21以及源极电极及漏极电极(另一侧)之间。则不再需要介电层16，因为与大部分通常使用的铁磁性材料对比，多铁性材料15为电绝缘的。同样，单独栅极电极层17为可选的且附图中未示出，因为铁磁性层14自身可视情况充当栅极电极。同样在图2的配置中，可在栅极电极(铁磁性层14)与源极电极12或漏极电极13 之间施加写入电压信号。与图1的配置对比，几乎整个电压降将跨越多铁性层，使得与图1 的配置相比较，所需写入电压降低。因此，图2的配置通常为优选的。藉由图3a至图6c，参看图2的实施例来解释根据本发明的存储器元件的工作原理，由此解释存储器元件的“写入”操作以及“读取”操作。图3a、图如、图fe及图6a表示用于由两位元件所采取的四种不同状态的“写入” 过程。在每一“写入”过程中，一方面在栅极电极14与源极电极12之间另一方面在栅极电极14与漏极电极13之间同时施加“写入”电压信号(同样如果颠倒两个位中的仅一者(因此颠倒两个畴中的仅一者))。举例而言，可在每一“写入”过程期间使栅极电极14保持于 OV电势，而向源极电极和漏极电极均独立地供应IV或-IV “写入”脉冲。图3a对应于(例如)藉由向源极电极和漏极电极两者施加-IV脉冲而获得的“向上-向上(up-up) ”状态。图3b表示“向上-向下(up-down) ”状态(-1V施加至源极电极， +IV施加至漏极电极)，图3c表示“向下-向上(down-up)”状态(+1V/-1V)，且图3d表示 “向下-向下(down-down) ”状态(+1V/+1V)。当然，在本文中，所施加的电压的量及其绝对极性为纯粹实例。根据本发明的存储器元件不为完全随机存取。不能同时读取每一存储器元件的第一信息位及第二信息位。图3b、图仙、图恥及图6b分别展示用于“向上-向上”状态、“向上-向下”状态、“向下-向上”状态以及“向下-向下”状态的第一信息位的“读取”过程， 且图3c、图4c、图5c以及图6c展示用于其第二信息位的“读取”过程。“读取”过程系基于自旋阀效应。对于“读取”操作，依赖于是读取第一位还是读取第二位，在源极电极与漏极电极之间施加希望极性的小“读取”电压脉冲。此导致电荷载流子(依赖于导电性类型而为η型电荷载流子或ρ型电荷载流子)流入源极电极与漏极电极之间的沟道区域。电荷载流子通过该等附图中沟道区域21内的箭头象征，箭头表示电荷载流子的磁矩。块状箭头说明其流动方向。当经过沟道区域21时，电荷载流子经受由铁磁性层14所产生的磁场。在电荷载流子经受磁场的情况下，该磁场确定电荷载流子的磁矩的取向。因此，当电荷载流子进入铁磁性源极电极或漏极电极后，在电荷载流子所流至的电极(在用于第一位的“读取”过程中为源极电极，且在用于第二位的“读取”过程中为漏极电极)附近的畴分别界定电荷载流子的取向。将区分两种情形。若大多数电荷载流子的磁矩经取向成平行于其所流至的源极电极或漏极电极的磁化，则具有经维持的磁矩的电荷载流子可容易地进入电极。与此对比，若电荷载流子经取向成反平行于其所流至的电极，则其在进入电极材料时遭遇能量势垒(例如，为了必须再次倒转其磁矩)。此能量势垒效应(被称为‘自旋阀’效应)本质上类似于亦造成‘巨磁电阻’或‘隧穿磁阻’的效应且因而被描述于文献中。在图3b、图3c、图4b及图5c的“读取“配置中遭遇低能量势垒(各第一或第二位为“向上”或“ 1 ”)。在图4c、图恥、图6b以及图6c中感测高能量势垒(各第一或第二位为“向下”或“0”)。因此，源极电极12 (用于第一位)和漏极电极13 (用于第二位)充当用于其邻近的畴的取向的铁磁性检测器。铁磁性层14的杂散场在电荷载流子流入各电极之前影响电荷载流子。(极性依赖)电流-电压特性为几乎独立于另一畴(亦即，更远离检测电极的畴)的铁磁性畴取向。这被图4b、图如、图恥以及图5c中的小箭头示例。举例而言，在图 4b的配置中，来自漏极电极13的电荷载流子的磁矩被初始极化为平行于漏极电极的磁化， 因为漏极电极是铁磁性的。在第二畴的影响下，磁矩在电荷载流子进入电荷载流子受第一畴的磁场(其导致磁矩翻转)影响的区域之前部分地或完全地倒转。作为备注，依赖于源极电极和漏极电极铁磁性材料的电子结构，在一些状况下，自旋阀效应可以相反方式工作亦即，具有平行磁矩的电荷载流子与反平行磁矩电荷载流子相比较可接着遭遇更高能量势垒。这可例如为漏极电极材料包含在大多数能带中不存在用于电荷载流子的自由状态的所谓的“强”铁磁体时的状况。然而，为了达成本发明的目的， 效应保持相同仅仅重要的是在电荷载流子具有平行于其所流至的电极的磁化的磁矩的情形与电荷载流子具有反平行于其所流至的电极的磁化的磁矩的情形之间的电流-电压特性中存在某种差异。换言之，极性依赖电压-电流特性(例如，由特定经施加的“读取”电压而产生的电流或为达成特定的“读取电流”而需要的电压)对于电荷载流子磁矩和电荷载流子所流至的电极的磁化的两个不同的相对取向而言是不相同的。图7说明了替代实施例，其中栅极铁磁性层34具有固定磁化，且源极电极12和漏极电极13的磁化交换耦合至多铁性层15且可藉由翻转多铁性层15的有序参数而加以翻转。在该配置中，源极电极和漏极电极需要与多铁性层进行直接物理接触。然而，不需要多铁性材料15与钉扎栅极铁磁体34之间的直接接触。实情为，在钉扎栅极铁磁体34与多铁性材料15之间可存在一种其它材料/多种其它材料的一个层或若干层(未示出)，例如，用于防止栅极铁磁体34与多铁性材料15之间的交换耦合的金属非磁性层。图至图Ilc展示用于如图7所示的实施例的写入过程及读取过程。该表示类似于图3a至图6c的表示。类似于图1和图2的实施例，在“写入”过程中，可通过栅极电极34与源极电极 12和漏极电极13之间的“写入”电压信号来分别设定多铁性材料的第一畴15. 1和第二畴 15. 2的取向，如图8a、图9a、图IOa以及图Ila所说明。归因于交换耦合，以该方式，同样设定(编程)源极电极和漏极电极的磁化，这类似于图1及图2的实施例中畴14. 1、14.2的编程。在“读取”过程中，当注入至沟道区域21中时的电荷载流子磁矩根据供以注入其的电极的极化而极化，但在经过沟道区域21之后总是根据栅极电极的磁场(在所描绘配置中为向上)而极化。因此，图7的实施例在读取过程中产生如下电荷载流子电荷载流子在流至源极电极12或漏极电极13时具有预定的磁矩取向。因此，归因于如上文所描述的自旋阀效应，电荷载流子流充当用于检测源极电极或漏极电极的磁化取向的检测装置。最后，图12描绘又一实施例。在此实施例中，具有两个畴35. 1,35. 2的多铁性层 35为多铁性铁磁体。因此，多铁性层35直接产生磁场，且无需额外的铁磁性层14。在别的方面，工作原理相同于图2的实施例的工作原理。
本发明的另外变体是可能的。举例而言，在具有可切换源极电极和漏极电极磁化的实施例中，限定流至源极电极和漏极电极的电荷载流子的磁矩取向的磁场无需属于栅极。实情为，还可替代地使用产生用于多个存储器元件的希望的均勻磁场的“全域 (global) ”磁场源，例如，普通铁磁性涂层，或外部铁磁体、电磁体等等。
权利要求
1.一种存储器元件，其包括源极电极(12)、漏极电极(1 以及栅极，其中所述存储器元件的存储器状态可通过向所述栅极施加电压信号加以切换，且可通过跨越沟道区域测量所述源极电极与所述漏极电极之间的电流-电压特性加以读取，其中所述栅极包括多铁性材料(15、35)，且其中所述存储器元件包括用于在所述沟道区域中产生磁场的装置，其特征在于，所述多铁性材料(15、3幻包括第一稳定畴和第二稳定畴(15. 1,35. 1 ； 15.2,35.幻，其中所述第一畴的切换状态通过在栅极电极与所述源极电极之间施加第一写入电压信号加以设定，且所述第二畴的切换状态通过在所述栅极电极与所述漏极电极之间施加第二写入电压信号加以设定，由此，所述存储器元件为2位存储器元件。
2.根据权利要求1的存储器元件，其中所述源极电极(1 和所述漏极电极(1 是铁磁性的，所述存储器元件还包括读取装置，所述读取装置被配置为感测用于流至所述源极电极的电荷载流子以及用于流至所述漏极电极的电荷载流子的自旋阀能量势垒。
3.根据权利要求2的存储器元件，其中所述读取装置被配置为在所述源极电极与所述漏极电极之间施加第一极性的读取电压信号以读取第一数据位，且在所述源极电极与所述漏极电极之间施加第二相反极性的读取电压信号以读取第二数据位。
4.根据前述权利要求中任一项的存储器元件，其中所述多铁性材料为多铁性反铁磁体。
5.根据权利要求4的存储器元件，其中所述栅极还包括能够导致在所述沟道区域中存在磁场的栅极铁磁体(14)或次铁磁体，所述栅极铁磁体或次铁磁体耦合至所述多铁性反铁磁体，所述栅极铁磁体或次铁磁体的第一畴和第二畴的磁化方向可归因于所述第一写入电压信号和所述第二写入电压信号的所述施加而通过至所述多铁性反铁磁体的所述耦合加以切换。
6.根据权利要求5的存储器元件，其中所述多铁性反铁磁体(1 被设置在所述栅极铁磁体(14)或次铁磁体与所述沟道区域之间。
7.根据权利要求6的存储器元件，其中所述多铁性反铁磁体(1 被紧邻所述沟道区域 (21)设置。
8.根据权利要求4的存储器元件，其中所述漏极电极的磁化和所述源极电极的磁化被分别耦合到所述第一畴和所述二畴，且可分别归因于所述第一写入电压信号和所述第二写入电压信号的所述施加而通过至所述多铁性材料的所述耦合加以切换。
9.根据权利要求1至3中任一项的存储器元件，其中所述多铁性材料为能够导致在所述沟道区域存在磁场的多铁性铁磁体(3 或次铁磁体。
10.一种存储器装置，其包括充当存储器基元的多个根据前述权利要求中任一项的存储器元件(1)，且进一步包括用于向所述存储器元件的栅极个别地施加电信号的接触，以及用于通过以极性依赖方式来确定经个别寻址的存储器元件的源极电极与漏极电极之间的电流-电压特性而进行读出的接触。
全文摘要
一种存储器元件(1)，其包括源极电极(12)、漏极电极(13)以及栅极，其中所述存储器元件的存储器状态可通过向所述栅极施加电压信号而加以切换，且可通过跨越沟道区域(21)测量所述源极电极与所述漏极电极之间的电流-电压特性加以读取。所述栅极包括多铁性材料(15)。可在所述沟道区域(21)中产生磁场。根据本发明，所述多铁性材料(15)包括第一稳定畴和第二稳定畴(15.1；15.2)，其中所述第一畴的切换状态通过在栅极电极与所述源极电极之间施加第一写入电压信号加以设定，且所述第二畴的切换状态通过在所述栅极电极与所述漏极电极之间施加第二写入电压信号加以设定，由此，所述存储器元件为2位存储器元件。
文档编号G11C11/22GK102246237SQ200980149958
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月21日 优先权日2008年12月23日
发明者G·I·梅杰, S·F·卡格 申请人:国际商业机器公司