非易失性存储器的制作方法

本发明涉及非易失性存储器(non-volatilememory，nvm)单元以及向非易失性存储器单元写入数据和从非易失性存储器单元读取数据的方法。

背景技术：

本发明旨在填补高性能、易失性、昂贵的计算机随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)与低性能、低成本、非易失性数据存储器件(例如硬盘驱动器(harddiskdrive，hdd))之间的差距。试图填补这一差距的新兴nvm技术被称为存储级存储器(storageclassmemory，scm)。

在提高数据存储性能方面，主要的候选技术是nand闪存(nand-flash)(固态硬盘(solidstatedrive，ssd)中的主流技术)，目前这种技术太昂贵而无法取代hdd，而且其低耐用性、低性能和低能效阻碍了其作为ram的应用。改进的hdd技术，例如热辅助磁性存储(heatassistedmagneticrecording，hamr)也遭受性能低下的问题。在正在开发的非易失性存储器技术中，主要的竞争者是自旋转移矩ram(spin-transfertorqueram，stt-ram，其遭受可扩展性受限的问题，需要相对高的电流密度以实现状态之间的切换)、铁电ram(ferroelectricram，fram，其使用破坏性读出，并且遭受低耐用性的问题)、相变存储器(phase-changememory，pcm，其遭受低耐用性、低能效的问题，并且依赖昂贵的有毒材料)、电阻式ram(resistiveram，rram，其使用破坏性读出，并且被动存储器阵列遭受寄生通路问题)以及基于这些原理的多单元器件。

现有的nvm单元存在以下一个或多个缺点：它们需要晶体管以用于读取和/或写入数据；它们需要两个以上的电极以用于读取和写入数据；它们不可堆叠，因此不能形成在三维阵列中；它们在二维上具有低堆积密度。

技术实现要素：

本发明提供了一种非易失性存储器单元，包括：存储层，其包括铁磁材料，其中数据可记录为磁化的方向；压磁层，其包括抗钙钛矿压磁材料，该抗钙钛矿压磁材料取决于压磁层中的应变而选择性地具有对存储层的第一类效应和对存储层的第二类效应；应变诱导层，其用于在压磁层中诱导应变，从而使压磁层从第一类效应切换到第二类效应。

因此，本发明利用具有变化应变的抗钙钛矿压磁材料的变化性质，选择性地改变存储层和压磁层之间相互作用的强度。这两类效应允许写入存储器单元。存储层中的磁化影响压磁层中的磁性状态。压磁层中的磁性状态由于压磁层的强磁-弹性耦合，影响压磁层的弹性性质。压磁层形成平面电容器的顶板，并测量平面电容器的容量用于仅使用两个电极来读取存储层的磁性状态(磁电容效应)。

在实施例中，第一类效应是其中压磁层的净磁化足够强以克服存储层中的矫顽场并使得通过偶极耦合将存储层的磁化与压磁层的磁化对准的效应；第二类效应是其中由于压磁层的任何磁化导致的存储层中的任何磁场低于存储层的矫顽场的效应。因此，在第二类效应中，存储层的磁化不会改变方向。

因此，为了写入信息，向压电层施加电压，该压电层诱导压磁层中的应变以改变压磁层的磁化。由于存储层和压磁层之间的偶极耦合，压磁层的磁化的改变有效地改变存储层的磁化的方向。在存储层的磁化的方向已被改变之后，由于压磁层和应变诱导层之间的小的晶格失配或由于应变诱导层的铁电极化，导致应变诱导(压电)层中的应变减小到小的值(例如，非零值)，使得压磁层中的磁化降低到使得存储层中的任何磁场低于存储层的矫顽场的水平。因此，一旦从压磁层移除应变(一旦从压电层移除电压)，存储层中的磁化的方向就不会改变。

这种布置的优点在于，可以使用与用于写入存储层的电极相同的电极来读取存储层。

在实施例中，非易失性存储器单元包括在存储层和压磁层之间的非磁性层，用于防止存储层和压磁层之间的交换偏置。如果在存储层和压磁层之间存在交换偏置，则当移除施加到压磁层以便写入存储层的应变时，存储层中的磁化的方向也会受到影响。由此，在存储层和压磁层之间包括非磁性层允许从nvm单元移除电压而不会丢失存储在存储层中的数据。

在实施例中，抗钙钛矿压磁材料在+/-30％的应变，优选地在+/-10％的应变，最优选地在+/-1％的应变下，具有大于350k的奈耳(neel)温度(tn)。这意味着抗钙钛矿压磁材料将在非易失性存储器单元的典型工作温度下保持其压磁性质，并且不需要例如任何特殊的冷却布置以确保材料不会升高到奈耳温度以上，从而变为顺磁性。

在实施例中，抗钙钛矿压磁材料是基于mn3snn的材料(例如mn3-xaxsn1-ybyn1-z，其中a和b是选自包括以下元素的列表中的一种或多种元素：ag、al、au、co、cu、fe、ga、ge、in、ir、ni、pd、pt、rh、sb、si、sn、zn的)。mn3snn是这样的材料：其已被发现具有约475k的奈耳温度以及在应变的微小变化下具有诱导的磁化的大的变化，从而可提供高度的可靠性。

在实施例中，第一类效应是其中压磁层处于顺磁性状态，并且存储层和压磁层之间不存在交换偏置相互作用，从而允许存储层的磁化的方向通过外部磁场改变的效应；第二类效应是交换偏置相互作用，其中压磁材料处于反铁磁性状态，因此存储层的磁化的方向由压磁层钉扎。外部磁场可以是全局地施加至整个阵列或局部施加至每个位元的可切换场，或者是驱动进动磁化切换的恒定垂直场。在该实施例中，将新发现的表现出奈耳温度随应变变化的抗钙钛矿压磁材料的性质应用到非易失性存储器单元。这使得当抗钙钛矿压磁材料是顺磁性时，存储层的磁化的方向可以变化。然后当反钙钛矿压磁材料通过交换偏置相互作用固定存储层的磁化的方向时，施加到压磁材料的应变被释放，使反钙钛矿压磁材料返回到反铁磁性状态。从而，即使当没有电压施加到存储器单元时，存储层中的磁化的方向也保持不变。因此，这样的存储器单元是非易失性的，对温度波动或外部磁场具有很强的弹性，而且不耗电。

在实施例中，压磁材料具有随应变变化的奈耳温度，并且其中当应变从+30％变化到-30％，优选地从+10％变化到-10％，更优选地从+1％变化到-1％时，奈耳温度超过293k。这意味着器件可以在典型的环境温度下工作，而不需要加热或冷却(如在hamr中)以使nvm单元正确地工作。

在实施例中，抗钙钛矿压磁材料是基于mn3gan或mn3nin的，例如mn3-xaxga1-ybyn1-z或mn3-xaxni1-ybyn1-z，其中a和b是选自包括以下元素的列表中的一种或多种元素：ag、al、au、co、cu、fe、ga、ge、in、ir、ni、pd、pt、rh、sb、si、sn、zn。已经发现这些材料中有许多表现出随应变而变化的奈耳温度变化，其中当应变从+1％变化到-1％时奈耳温度超过293k，并且在该应变范围内，表现出奈耳温度的大的变化，从而允许更容易地控制写入存储层。

在实施例中，非易失性存储器单元包括定位成与存储层相邻以诱导用于改变存储层的磁化的方向的全局或局部时变磁场的至少一个附加电极。在实施例中，附加层具有垂直于存储层的磁化的恒定磁化，以当存储层在其进动周期的一半变为未钉扎时诱导存储层的磁化的进动切换。这种附加的机制在其中压磁材料在写入的过程中制成顺磁性以便解除存储层的钉扎的实施例中是有利的。施加的磁场的单个源可用于将数据写入多个存储器单元。

在优选的实施例中，应变诱导层是压电层。这允许在不同的应变速率之间快速切换以及优异的耐用性。

在实施例中，应变诱导层是钙钛矿材料。这是有利的，因为有可能减少应变诱导层和压磁层之间的任何晶格失配。在较低晶格失配的情况下，可以通过应变诱导层在压磁层中诱导拉伸应变和压缩应变二者，并且减少当应变诱导层未被激活时(即，由于晶格失配)压磁层中的任何剩余的应变。这是有利的，因为它提高了存储器单元的机械稳定性和耐用性。

在实施例中，存储层与压磁层之间和/或压磁层与应变诱导层之间的晶格失配小于1％。这增加了器件的耐用性，并且在压磁层和诱导层之间的低失配的情况下，允许在压磁层中诱导拉伸应变和压缩应变，从而启用第一类实施例中的写操作。在非易失性存储器单元是存储器单元的二维或三维阵列的一部分的情况下，小的晶格失配使得能够构建大的阵列，否则大的阵列将具有不可接受的应变水平。

在实施例中，存储层是钙钛矿层。这是有利的，因为相邻的钙钛矿层和抗钙钛矿层之间的晶格失配允许层之间的低晶格失配，具有上述伴随的优点。

在实施例中，非易失性存储器单元还包括：第一电极，其在与压磁层相对的一侧连接到存储层；第二电极，其在与压磁层相对的一侧连接到应变诱导层。然后可以仅用这两个电极读取和写入非易失性存储器，而不需要在阵列的每个单元处的晶体管。因此，nvm单元易于寻址。在二维阵列中，可以利用与阵列的其他单元共享的第一电极和第二电极来寻址单个存储器单元。

在实施例中，提供了包括多个本发明的非易失性存储器单元的存储器单元的二维或三维阵列。本发明的存储器单元理想地适合于结合到二维或三维阵列中，因为应力并未随着更多存储器单元形成彼此相邻(横向和纵向二者)而增进(特别是以层之间的低的晶格失配构建的情况下)。每个存储器单元的尺寸很小，并且仅需要两个电极来执行读取和写入的功能二者意味着可以实现高密度存储器。

在实施例中，提供了一种向包括存储层和抗钙钛矿压磁层的非易失性存储器单元写入数据和从该存储器单元读取数据的方法，该方法包括以下步骤：诱导存储层中的第一方向或第二方向的极化，从而将数据写入存储器单元，存储层第一方向上的极化诱导抗钙钛矿压磁层中的第一磁性状态，存储层第二方向上的极化诱导抗钙钛矿压磁层中的第二磁性状态；以及测量存储器单元的磁电容，抗钙钛矿压磁层的磁电容在第一磁性状态中与在第二磁性状态中不同，从而读取存储在存储层中的数据。

因此，存储在存储层中的信息可以仅使用两个电极来读取，而不需要晶体管并且不会覆盖存储在存储器中的数据。如果没有抗钙钛矿压磁层，这是不可能实现的，因为普通铁电电容器的容量关于其电极化的取向是对称的。也就是说，无论铁电的极化的方向如何，当在抗钙钛矿压电磁层的完全补偿的反铁磁性状态或顺磁性状态中测量存储器位的磁电容时，存储器位的磁电容是相同的。相反，对于抗钙钛矿压磁层的倾斜的反铁磁性状态，磁电容随铁电极化的取向而变化，影响压磁层中磁化的大小。这是由于抗钙钛矿压磁材料的受挫磁性支撑着所谓的磁弹性耦合。

在实施例中，测量包括跨存储层和抗钙钛矿层施加交流电压，并且确定电抗，从而确定存储器单元的磁电容。在实施例中，测量包括确定存储器单元的谐振频率的偏移。

在实施例中，存储层包括铁磁材料，并且极化是磁极化，即磁化。

在实施例中，通过在抗钙钛矿压磁层中诱导足够强以使通过偶极耦合将存储层的磁极化与钙钛矿压磁层的磁化对准的磁化，来执行诱导。因此，抗钙钛矿压磁材料具有两个功能，两个功能都允许读取存储器单元并且还用于写入操作以诱导存储层中的极化。这意味着只需要两个电极来执行读取和写入的功能，而不需要使用电力和占用空间的晶体管。

在实施例中，非易失性存储器还包括应变诱导层，并且通过使用应变诱导层诱导抗钙钛矿压磁层中的应变来实现诱导抗钙钛矿压磁层中的磁化。因此，通过跨应变诱导层(其可以是压电材料)施加电势差，可以在抗钙钛矿压磁层中诱导应变。抗钙钛矿压磁层中的应变导致在抗钙钛矿压磁层中产生磁自旋极化。从而，抗钙钛矿压磁层中的磁自旋极化例如通过偶极耦合诱导在存储层中的磁化。

在实施例中，诱导包括使用磁化电极诱导存储层中的磁化。这种磁化电极可用于在多个非易失性存储器单元的存储层诱导第一方向或第二方向上的极化。

在实施例中，诱导还包括诱导抗钙钛矿压磁层中的应变，从而使抗钙钛矿压磁层顺磁。在该实施例中，抗钙钛矿压磁层用作开关以允许在存储层上写入或不允许在存储层上写入。因此，结合外部施加的磁场，可以实现对非易失性存储器单元读取和写入数据的系统。

在实施例中，非易失性存储器单元还包括应变诱导层，并且诱导应变由应变诱导层完成。因此，通过跨应变诱导层(其可以是压电材料)施加电势差，可以诱导抗钙钛矿压磁层中的应变。这可用于将抗钙钛矿压磁层从反铁磁材料转变为顺磁材料。该切换具有快速响应时间和良好的使用寿命，并且可用于钉扎和不钉扎存储层中的极化。

在实施例中，存储层包括铁电材料，并且极化是电极化。在该实施例中，非易失性存储器单元包括在与存储层相对的一侧连接到抗钙钛矿压电磁层的第一电极和在与抗钙钛矿压磁层相对的一侧连接到存储层的第二电极，诱导包括跨第一电极和第二电极施加电势差，测量包括测量第一电极和第二电极之间的磁电容。这种器件非常简单和紧凑，并且可以在无晶体管阵列内工作。

附图说明

现在将仅通过实例参考以下附图并且如以下附图中图解说明般描述本发明的实施例：

图1是抗钙钛矿压磁材料的晶格和磁性结构的示意图；

图2是对于不同的抗钙钛矿压磁材料的选择，沿x轴的应变与沿y轴的诱导净磁化的图表；

图3是对于不同的抗钙钛矿压磁材料的选择，沿x轴的应变与沿y轴的以开尔文(kelvin)为单位的(奈耳温度-零应变处的奈耳温度)的图表；

图4是对mn3nin的实验确定的结果的图表，其中y轴上的奈耳温度和饱和磁化是随x轴上的c轴应变而变化，饱和磁化取自在100k处的磁滞回线(m-hloop)；

图5是室温下(laalo3)0.3(sr2taalo6)0.7衬底上mn3gan/ba0.75sr0.25tio3/srruo3异质结构的磁电容效应的图表；

图6是根据第一实施例的非易失性磁存储器单元的横截面示意图；

图7是根据第二实施例的非易失性磁存储器单元的横截面示意图；

图8是根据第三实施例的非易失性电存储器单元的横截面示意图；

图9是根据实施例的二维磁存储器阵列的透视示意图；

图10是对第一实施例的二维存储器阵列的写入的说明(并且也适用于第三实施例的二维存储器阵列)；

图11是写入第二实施例的二维阵列的说明；

图12是读取所有三个实施例的二维存储器阵列的说明；以及

图13是根据实施例的三维磁存储器阵列的透视示意图。

具体实施方式

本发明利用基于mn的抗钙钛矿的性质。已知这些材料呈现压磁效应。压磁效应是由于在基于mn的抗钙钛矿的倾斜的反铁磁性状态中表现的应力的施加而引起的磁化变化。

图1a说明了在没有净磁化的非应变状态下基于mn的抗钙钛矿的结构。图1b说明了施加拉伸应变并且存在与[110]方向反平行的诱导净磁化的情况，图1c说明了施加诱导与[110]方向平行的净磁化的压缩应变的情况。如图所示，在施加拉伸应变或压缩应变时，诱导净磁自旋极化(即磁化)。对于拉伸应变和压缩应变，磁自旋极化的方向是相反的。

图2是沿百分比双轴晶格应变的x轴和沿诱导的磁化的y轴的图表。在图2中，针对四种不同类型的基于mn的抗钙钛矿材料绘制了诱导的磁化的变化。可以看出，磁场随应变变化最大的是mn3snn，其次最敏感的材料是mn3nin，接着是mn3inn，然后是mn3gan。此外，还说明了实验观察到的这些材料的块体形式在0％应变下的奈耳温度。在奈耳温度以上，材料变为顺磁性而不是反铁磁性，因此未观察到磁自旋极化随诱导的应变变化的影响。图2中的结果是对mn3nin的已经通过实验证实的仿真结果(参见图4，其示出了y轴上的奈耳温度和饱和磁化随着x轴上的c轴应变而变化，饱和磁化取自在100k处的磁滞回线(m-hloop))。

本发明人已经发现，基于mn的抗钙钛矿的奈耳温度随诱导的应变强烈地变化。图3说明了奈耳温度对诱导的应变的敏感性，其中对于三种不同的基于mn的抗钙钛矿，应变沿x轴绘制，并沿y轴绘制奈耳温度与其在零应变处的以开尔文为单位的值的偏差。图3中所示的结果是基于已知的高估奈耳温度的理论计算(使用kkr-dlm平均场近似(量子力学代码主要由华威大学(universityofwarwick)的jbstaunton教授开发))。虽然以开尔文为单位的温度值不能代表实验观察到的值，但奈耳温度的变化指示实验观察到的结果。可以看出，mn3nin和mn3gan都表现出在环境温度附近的奈耳温度(如实验所确定的，在0％应变下，奈耳温度分别为240k(如图4所看到的)和300k)。基于mn的抗钙钛矿中应变的变化可以用于将基于mn的抗钙钛矿的性质从压磁性(低于奈耳温度)改变为顺磁性(高于奈耳温度)。在mn3nin中奈耳温度和诱导的磁化对应变的依赖性的结果已经通过实验证实(图4)。

图5示出了在室温下在(laalo3)0.3(sr2taalo6)0.7衬底上的mn3gan/ba0.75sr0.25tio3/srruo3异质结构的经测量的磁电容效应。通过在底部电极(srruo3)和au的顶部电极之间施加1.5v直流偏压，在7t的磁场下获得超过1400％的磁电容效应。ba0.75sr0.25tio3的电容变化是由磁场下的mn3gan层的(反)压磁效应诱导的界面应变引起的。值得注意的是，与在1.5v直流偏压下的磁电容效应相比，0v直流偏压下的磁电容效应要小得多。大的磁电容支撑着读取机制。

本发明人在对图1至图5中所示的基于mn的抗钙钛矿的性质的理解的基础上开发了nvm单元。

在第一实施例和第二实施例中，非易失性存储器单元利用了图2至图5中所示的基于mn的抗钙钛矿压磁材料的性质。图6和图7是根据第一实施例和第二实施例的非易失性磁存储器单元的横截面示意图。nvm单元包括其中可记录数据的存储层10。存储层10可以包括铁磁材料。以这种方式，数据可作为磁化的方向记录。

还提供了压磁层20。压磁层20包括抗钙钛矿压磁材料，优选为基于mn的抗钙钛矿压磁材料。取决于压磁层20中的应变，压磁层20选择性地具有对存储层10的第一类效应(例如，当处于压缩应变或拉伸应变时)和对存储层10的第二类效应(例如在低(或无)拉伸应变或压缩应变下)。

提供应变诱导层30，用于诱导压磁层中的应变，从而从第一类效应切换到第二类效应。

在存储层10的与压磁层20相对的一侧上提供第一电极50。在应变诱导层30的与压磁层20相对的一侧上提供第二电极60。层20、层30和层60形成平面电容器，其表现出用于仅通过电气方法非破坏性地读出所存储的信息的磁电容效应(如下所述)。

通过跨第一电极50和第二电极60施加电压，可以在应变诱导层30中诱导出应变。在应变诱导层30中由跨第一电极50和第二电极60的电势差诱导的应变被传递到压磁层20。如图2至图5所示，诱导压磁层20中的应变改变了压磁层20在磁化方面和/或奈耳温度方面的性质。压磁层20的性质的改变具有对存储层10的效应(例如第一类效应)，这是取决于压磁层20中的应变的不同的效应(例如，第二类效应)。

在实施例中，压磁层20沿着(001)方向生长，该方向垂直于应变诱导层30和存储层10的平面。这确保了良好的外延生长、图1所示的磁性结构的形成、良好的机械稳定性、与铁电层30的小的晶格失配，以及对于给定的平面内应变的性能的最大变化(第一实施例的磁化，或第二实施例的奈耳温度)。

应变诱导层30可以是压电材料，例如铁电材料。在实施例中，应变诱导层30具有钙钛矿或抗钙钛矿结构。例如，应变诱导层可以是(ba/sr)tio3材料。具有钙钛矿结构可能是有利的，因为由此可以实现应变诱导层30和压磁层20之间的明确界定的界面和强弹性耦合。干净的晶体界面导致非易失性存储器单元的长寿命，并且在应变诱导层30中诱导的应变的大的转移被转移到压磁层20。特别是在第一实施例的情况下，可期望应变诱导层30和压磁层20之间的低晶格失配。这是因为当在第一电极50和第二电极60之间没有施加电势差时，可期望在压磁层20中存在非常小的应变或不存在应变。当没有施加电势差时，存在压磁层20的零磁化(或小的磁化，该小的磁化由相邻的铁电应变诱导层的自发电极化或由应变诱导层30和压磁层20之间的晶格失配导致的残余应变引起)，并且当在第一电极50和第二电极60之间没有施加电势差时，可期望在第一实施例中在压电磁层20中具有尽可能低的磁化。当在第一电极50和第二电极60之间施加零电势差时，应变诱导层30和压磁层20之间的任何失配都可能导致压磁层20中的应变。只要在第一电极50和第二电极60之间存在零电势差的压磁层20的任何磁化，就导致存储层10中的磁场低于存储层10的强制磁场，这是可以接受的。

应变诱导层30和压磁层20(以及其他层之间)的晶格常数可以通过改变生长条件和组成来调整(如下所述)。通过这种方式，可以调整各个层之间的晶格失配。理想地，存储层10与压磁层20之间，和/或压磁层20与应变诱导层30之间，和/或第一电极50或第二电极60与其相邻层之间的晶格失配小于1％，更理想的是小于0.5％。这不仅导致耐用的器件和如其他地方所述的其他期望的特性，而且还意味着可以开发具有高度鲁棒性的横向和垂直延伸的存储器单元的二维或三维阵列。

现在将参考图6详细描述本发明第一实施例的操作。图6的实施例使用了图2中说明的原理。也就是说，为了将数据写入存储层10，在第一电极50和第二电极60之间沿某一方向施加电势差，以收缩或扩展应变诱导层30，从而在压磁层20中施加压缩或拉伸应变。当在压磁层20中诱导应变时，将根据应变是拉伸的还是压缩而在压磁层20的一个方向上产生磁化。通过在压磁层20和存储层10之间的偶极耦合，在第一类效应中，存储层10的自发磁化将根据压磁层20的磁化的方向进行切换。通过这种方式，可以通过在第一电极50和第二电极60之间施加正或负电势差来改变存储层10中的磁化的方向。

当移除第一电极50和第二电极60之间的电势差时，应变诱导层30恢复到其原始形状，并且压磁层20中的应变也恢复到其原始水平(接近零，特别是在压磁层20和应变诱导层30之间存在低的晶格失配的情况下)。结果，一旦移除了第一电极50和第二电极60之间的电势差，就没有磁化保留在压磁层中。

当压磁层20中的磁化可忽略不计，并且假设在压磁层20和存储层10之间没有交换偏置效应，存储层10的磁化由铁磁存储层的磁各向异性(矫顽场)保持固定(假设没有外部磁场)，这就是第二类效应。

在实施例中，为了避免压磁层20和存储层10之间的交换偏置，可以在存储层10和压磁层20之间提供(金属的)非磁性层15。非磁性层15可以相对较薄(纳米级的)。对于这样的薄层，材料的晶格常数将与相邻层(压磁层20和存储层10)的晶格常数匹配，使得非磁性层15的存在不会诱导应变。非磁性层15防止存储层10和压磁层20之间的交换偏置。防止这两层之间的交换偏置意味着当去除压磁层20中的磁化时，存储层10中的任何磁化都不受影响。

即使在移除第一电极50和第二电极60之间的电势差之后在压磁层20中仍保留小的磁化，只要由层20的磁化导致的作用在存储层10上的任何磁场低于存储层10的矫顽场，就不会发生存储层10的磁化的改变。因此，第一实施例利用存储层10的铁磁材料的磁各向异性(磁晶各向异性和形状各向异性的组合)。每个存储器位的横向尺寸小于典型的磁畴尺寸，因此假设存储层10处于单畴状态，其中矫顽场由磁各向异性确定。

为了改变存储在存储层10中的数据(磁化的方向)，在第一电极50和第二电极60之间施加与先前施加的电势差方向相反的电势差。这诱导了在应变诱导层30中的并因此在压磁层20中的与拉伸或压缩应变相反的应变，因此产生方向相反的磁化。因此，通过偶极耦合，存储层10中的磁化的方向被改变。

在第一实施例中，优选的抗钙钛矿压磁材料是mn3snn或基于mn3snn的压磁材料，由于根据图2该材料表现出感应磁场随应变的变化最大。通过改变材料的化学组成，可以优化该材料以具有所需的晶格参数和压磁性质，例如mn3-xaxsn1-ybyn1-z，其中a和b是选自包括以下元素的列表中的一种或多种元素：ag、al、au、co、cu、fe、ga、ge、in、ir、ni、pd、pt、rh、sb、si、sn、zn。材料也可以衍生自除mn3snn之外的其他抗钙钛矿。通常，它可以是在室温下具有压磁性并且与其他层具有良好的晶格匹配的任何材料。

在实施例中，压磁层20与应变诱导层30的表面接触。在实施例中，非磁性层15与压磁层20接触。在实施例中，存储层10与非磁性层15接触。在实施例中，第一电极50与存储层10接触。在实施例中，第二电极60与应变诱导层30接触。

在实施例中，存储层10是钙钛矿或抗钙钛矿材料，例如co3fen。应变诱导层30可以形成在电极上，该电极本身形成在衬底上，例如mgo、srtio3、nb:srtio3或si的衬底。在实施例中，衬底具有与电极和应变诱导层30匹配的晶格参数。在实施例中，其上生长有层的衬底(例如nb:srtio3或掺杂的si)可以用作电极，则不需要单独的电极。

第一电极50可以由金属或导电钙钛矿(例如，nb:srtio3或srruo3)制成。第二电极60可以由nb:srtio3或srruo3制成。

为了读取存储在存储层10中的数据，使用了磁电容效应。抗钙钛矿压磁材料的另一个特性是，由于磁弹性耦合，其刚度由于存在于其中的磁场而改变。即使在零应变下，存储层10中磁化的存在也导致压磁层20中的磁场。与在压磁层20中不存在磁场时相比，压磁层20中的磁场导致压磁层20的弹性改变。压磁层20中的弹性变化可以经测量为由层20、层30和层60形成的电容器的磁电容的变化。磁电容的变化是不对称的，这意味着对于存储层10中的两个相反磁化对准，所测量的容量是不同的。因此，通过测量由层20、层30和层60形成的电容器的磁电容，可以确定存储层10中的磁化的方向。因此，通过测量第一电极50和第二电极60之间的磁电容，可以确定存储层10中的磁化的方向。

测量第一电极50和第二电极60之间的磁电容的一种方式包括在第一电极50和第二电极60之间施加交流电压并测量响应(电抗)。这将在下面参考图10进一步解释。

因此，仅利用两个电极，既可以向存储层10写入又可以从存储层10读取，而不需要晶体管，不需要第三电极或更多电极。这是可期望的，因为包括本发明的多个非易失性存储器单元的二维或三维存储器的设计是可能的，其在设计上特别紧凑和简单。

现在将参考图7描述第二实施例。除了如下所述之外，第二实施例与第一实施例相同。

第二实施例依赖于如图3至图5所示的压磁层20的行为。也就是说，通过在压磁层中诱导应变(从而将奈耳温度改变至低于压磁层20所经历的温度)，将压磁层的性质从反铁磁行为(第二类效应)切换到顺磁行为(第一类效应)。在第二实施例中，省略了第一实施例的非磁性层15。结果，当压磁层是反铁磁性时(例如，当在第一电极50和第二电极60之间没有施加电势差时)，在存储层10和压磁层20之间存在交换偏置。

当在第一电极50和第二电极60之间施加电势差时，在压磁层20中由应变诱导层30诱导的应变有效地降低压磁层20的奈耳温度，使得抗钙钛矿压磁层20变为顺磁性。当压磁层20为顺磁性时，在压磁层20和存储层10之间不存在交换偏置。然而，当压磁层20是反铁磁性时(例如，在电势差被切断之后)，在压磁层20和存储层10之间确实存在交换偏置。当在压磁层20和存储层10之间存在交换偏置时，即使存在强度大于矫顽场的磁场，存储层10的磁化的方向也是固定的。取决于当层20变为反铁磁性时所存在的层10的磁性状态，层20可以将层10的磁化固定到至少两个不同的方向。

因此，第二实施例在第一层50和第二层60之间施加电势差，以(通过应变诱导层30)诱导压磁层20中的应变，从而在倾斜的反铁磁性和顺磁性之间改变压磁层20的性质。一旦压磁层20是顺磁性的，就可以改变存储层10中的磁化的方向。这可以例如使用外部磁场来实现。为此目的，例如，可以提供至少一个诱导磁场的附加电极70或垂直磁化层70。单个的附加电极70可以在两个或更多存储器单元上全局地使用，或者局部地作用于单个存储器单元。可选地，包括具有垂直于存储层的磁化的恒定磁化的附加层，以在存储层10在其进动周期的一半变为未钉扎时诱导存储层10的磁化的进动切换。这种附加的机制在写入过程使压磁材料20顺磁性以便解除钉扎存储层10的实施例中是有利的。通过使用电极70诱导存储层10中的磁场，可以改变存储层10的磁化的方向。在改变存储层10中的磁化的方向从而将数据写入存储层10之后，移除施加在第一电极50和第二电极60上的电势差。从而，压磁层20的奈耳温度升高到环境温度以上，使得压磁层20用作反铁磁体。当压磁层20用作反铁磁体时，由于压磁层20和存储层10之间的交换偏置相互作用，存储层10的磁化(在这种情况下是磁自旋极化)的方向是固定的。因此，即使使用磁化电极70将信息写入相邻的非易失性存储器单元，并且磁场延伸到所考虑的存储器单元的存储层10中，所考虑的存储器单元的存储层10的磁化的方向也不会改变。

在第二实施例中，通过使用磁电容效应，以与第一实施例相同的方式从非易失性存储器单元中读取数据。然而，在这种情况下，通过向层20施加低于tn的应变来反转存储层中的磁化的方向，然后在反转存储层10之后，施加快速应变脉冲以使压磁层20转变为顺磁性，从而重置钉扎方向而不用改变存储层10的新的磁化方向。

在第二实施例中，最优选的抗钙钛矿压磁材料是mn3gan或mn3nin，或者基于mn3gan或mn3nin的材料，例如mn3-xaxga1-ybyn1-z或mn3-xaxni1-ybyn1-z，其中a和b是选自包括以下元素的列表中的一种或多种元素：ag、al、au、co、cu、fe、ga、ge、in、ir、ni、pd、pt、rh、sb、si、sn、zn，因为这些材料在零应变的奈耳温度大致等于环境温度和存储器工作的温度。优选地，压磁材料具有随应变变化的奈耳温度，其中当应变从+30％变化到-30％，优选地从+10％变化到-10％，更优选地从+1％变化到-1％时，奈耳温度超过293k。如果使用这种材料，则不必加热或冷却非易失性存储器单元，因为奈耳温度的变化可以在环境温度下受到影响。

现在将参考图8描述第三实施例。除了如下所述的之外，第三实施例与第一实施例和第二实施例相同。在第三实施例中，除了不需要的层10和层70之外，非易失性存储器单元包括与第二实施例的单元完全相同的层。而信息存储在铁电层30中。

在第三实施例中，存储层是铁电层30(如同在第一实施例和第二实施例中，但现在不需要额外的压电特性)，在该铁电层30中数据可记录为电极化的方向。通过在第一电极50和第二电极60之间施加电势差，可以将数据写入非易失性电存储器单元。可以根据施加的电势差的极性来切换铁电层30中的电极化。即使移除第一电极50和第二电极60之间的电势差，由于铁电材料的电滞后，电极化仍将保持。

压电层30中的电极化诱导压磁层20中的磁矩。该磁矩导致由层20、层30和层60形成的电容器的磁电容的变化，该变化可以以与第一实施例和第二实施例中相同的方式测量。如同在第一实施例和第二实施例中，经确定，磁电容可以与极化(在第三实施例的情况中是电极化)的方向相关。从而，可以读取存储在存储层30中的数据。

具有交叉条几何形状的n×n阵列中的存储器位的读取和写入可以非破坏性地完成，并且在每个位元上无需晶体管，该读取和写入遵循如下文参考图9-12所描述的与第一实施例和第二实施例的情况中相同的步骤。

所有这些实施例都抵抗结构疲劳，并且在这方面比典型的闪存具有更佳数量级。第一实施例和第二实施例甚至比第三实施例更耐结构疲劳。

在第三实施例中，铁电层30可以与压磁层20接触。在实施例中，铁电层30由钙钛矿铁电材料(例如pbtio3、srtio3、batio3、baxsr1-xtio3、ba(zrxti1-x)tio3)形成。如上所述，压磁层20可以由任何基于mn的抗钙钛矿材料形成，例如mn3snn、mn3gan、mn3nin，或mn3snn、mn3gan、mn3nin基的材料。

本发明的非易失性存储器单元具有易于结合到二维或三维阵列中的优点。

图9是根据实施例的磁存储器单元的二维阵列的透视示意图。可以看出，根据第一实施例或第二实施例的多个非易失性存储器单元被放置在二维阵列中。第一电极50和第二电极60以条状的形式。多个第一电极和第二电极沿正交方向延伸，并且每个电极连接到沿着电极50、电极60的长度延伸的多个存储器单元。由此，如上针对每个实施例所描述的，通过在第一方向上延伸的电极50和在正交方向上延伸的第二电极60之间施加电势差，每个存储器单元是可单独寻址的(图10和11分别示出了在第一实施例和第三实施例以及第二实施例中施加的电势差的细节)。通过这种方式，可以组装密集封装的二维非易失性存储器，其中单个存储器单元是可单独寻址的，并且不需要晶体管来读取或写入数据到单个存储器单元。

如上面所解释的，在第一实施例中，存储层10的磁化由平行于(状态1)或反平行于(状态0)压磁层20的小的磁化的矫顽场保持锁定。各对准状态导致压磁层20的不同磁性状态，从而导致不同的弹性性质，这些弹性性质可通过测量磁电容来检测。该写入机制允许对n×n阵列中的单个位进行寻址，其中每个位连接到n个顶部引线之一和n个底部引线之一。顶部和底部引线组彼此垂直(交叉条几何结构)，如图9所示。图10示出了如何写入根据第一实施例的存储器单元的存储器位的状态(相同的原理适用于第三实施例，但具有不同的分层结构)。将直流电电势vtop和vg分别施加到与感兴趣的存储器单元接触的顶部和底部引线。较小的直流电势(例如vtop/3)施加到其余的顶部引线，例如2*vtop/3施加到其余的底部引线。这导致在感兴趣的存储器位处的大的电压(vtop，其中vg＝0是接地)，该大的电压诱导压磁层20中的应变，该应变诱导磁化，该磁化足够大以克服存储层10的矫顽场并切换存储层10的磁化。阵列的所有其他单个存储器单元经受仅为切换电压(vtop)的三分之一(2*vtop/3-vtop/3＝vtop/3)的电压，因此它们的状态不受影响(低于矫顽场设定的阈值的电压)。

为了读取信息，如图12所示，将小的交流电压施加到电容器的板(压磁层20和底部接触层60)，该电压不够大以诱导可能改变存储层10的磁性状态的应变，但允许测量电抗，由此测量存储器位的容量。容量取决于绝缘应变诱导层30的相对介电常数和尺寸，该相对介电常数和尺寸由取决于压磁层20的弹性性质，该弹性性质取决于存储层10(或者在方案3中为30)中的磁化的对准。该读取机制允许对集成在上述n×n阵列中的单个位进行寻址。为了读取存储器位，将交流电压施加到接触相关存储器位的顶部和底部引线，并且将具有相反相位的交流电压施加到不接触相关存储器位的所有引线。因此，在任何时间点处，连接到与相关存储器位相同的引线的任何位的电压为零，并且任何其他位的电压与感兴趣的存储器位处的电压大小相同但极性相反。因此，可以读取感兴趣的存储器位的容量，而不受来自连接到相同引线的其他位的信号的影响，并且不影响任何位的存储状态(非破坏性读出)。

可选地，可以将压磁层的两个磁性状态之间的磁电容差异确定为电路的谐振频率的偏移，在该电路中单个存储器单元是电容器并且电感器在存储器阵列外部的控制单元中。

为了写入上述具有交叉条几何结构的n×n阵列中的第二实施例的特定存储器位的状态，将直流电势vtop和vg分别施加到接触特定存储器位的顶部和底部引线，如图11所示。将相反的电压施加到不接触特定存储器位的所有引线(vtop施加到底部引线，vg施加到顶部引线)。这导致在特定存储器位的大电压(vtop–vg)，该电压诱导压磁层20中的应变，该应变使该层顺磁，因此特定存储器位可由外部磁场(图11中未示出)写入。阵列的所有其他存储器位都受零电压或具有相反极性的相同电压(vg–vtop)的影响，因此它们的奈耳温度甚至高于环境温度并且它们的存储层的磁化是固定的。

第二实施例的n×n阵列中的读取与参考图12所述的第一实施例和第三实施例的情况相同。

在第三实施例中，如同第一实施例的情况，通过施加直流电压来完成写入。然而，这次电压必须足够大，以在铁电层30中的第一和第二方向之间切换所选位的铁电极化，从而将数据写入存储器单元，铁电层30在第一方向上的铁电极化诱导抗钙钛矿压电磁层20中的第一磁性状态，并且铁电层30在第二方向上的铁电极化诱导抗钙钛矿压磁层20中的第二磁性状态；施加到其余位的电压不足以切换它们的电极化；然后移除电压，这不会影响铁电极化。读取方法包括以下步骤：将交流电压施加到二维存储器阵列，如在如图12所示的第一类实施例中，以测量所选的存储器单元的磁电容，在任何时间点对连接到相同引线的其余单元施加的电压为零。所选存储器位的磁电容在压磁层的第一磁性状态中与在压磁层的第二磁性状态中不同，从而允许读取存储在存储层中的数据。

对于所有实施例，由于单个层之间的低晶格失配，使用有可能其中存储器单元的层之间的电极用于寻址该电极两侧的存储器单元的类似的原理构建三维存储器阵列。为了能够到达沿x-y方向通过的电极，层在x和y方向上的宽度随着高度而减小。这种存储器在图13中示意性地示出。

二维和三维阵列的其他布置是可能的并且在本领域技术人员的范围内。

该器件的多层可以使用针对所需的层进行优化的任何薄膜沉积方法制造。例如，可以使用脉冲激光沉积(pulsedlaserdeposition，pld)。每层薄膜的生长条件示例如下。

步骤1：衬底的选择和清洗。

可以使用任何合适的氧化物衬底(例如mgo、srtio3、nb:srtio3、(laalo3)0.3(sr2taalo6)0.7)或si作为衬底。在生长之前，用标准的溶剂清洗流程清洗衬底。标准的溶剂清洗流程可以是在超声波清洗器中用丙酮清洗3分钟，然后用异丙醇清洗，最后用蒸馏水清洗，每个溶剂步骤后用n2吹干。在实施例中，衬底可以成为底部电极60。

步骤2：多层生长(脉冲激光沉积(pulsedlaserdeposition，pld)和磁控溅射(magnetronsputtering))。

使用krf准分子激光器(λ＝248nm)通过pld沉积薄膜。利用在10hz下利用0.8j/cm²的流利度的激光分别烧蚀srruo3、nb:srtio3、batio3、baxsr1-xtio3、bazrxti1-xo3、mn3snn和mn3gan的化学计量单相靶。

层1——第二电极60——100nm的srruo3薄膜在700℃–780℃，50毫托-300毫托(mtorr)的o2分压下生长。沉积后，长成的薄膜随后在生长温度和600托的o2分压下进行20分钟原位后退火20分钟。然后，在600托(torr)的o2分压下将样品以10℃/分钟冷却至室温。

或100nm的nb:srtio3薄膜，在700℃，0毫托-60毫托的o2分压下生长。生长后，在600托的o2分压下将样品以10℃/分钟冷却至室温。

层2——应变诱导层30的压电材料——100nm的batio3(baxsr1-xtio3或bazrxti1-xo3)薄膜在750℃–800℃，150毫托-300毫托的o2分压下生长。生长后，在600托的o2分压下将样品以10℃/分钟冷却至室温。

层3——mn3xn的压磁层20，其中x是任何合适的元素——例如，100nm的mn3snn薄膜在300℃–550℃，0毫托-12毫托的n2分压下生长。生长后，在0毫托-12毫托的n2分压下将样品以10℃/分钟冷却至室温。

或100nm的mn3gan，在300℃–550℃，0毫托-12毫托的n2分压下生长。生长后，在0毫托-12毫托的n2分压下将样品以10℃/分钟冷却至室温。

间隔层(仅针对实施例1)——非磁性层15的钙钛矿顺磁体——1nm～2nm的铂(pt)薄膜通过直流磁控溅射在样品(由衬底、层60、层30和层20构成)上生长。将样品在超高真空中加热至800℃并退火1小时。在100w的直流功率下沉积pt薄膜。生长后，将样品在真空下以10℃/分钟冷却至室温。

层4——存储层10的铁磁材料——20nm-50nm的co3fen薄膜在300℃–500℃下通过射频(rf)磁控溅射在5毫托-20毫托的ar+n2气体混合环境中从co3fe靶生长，其中n2气的体积浓度在5-15％的范围内。生长后，将样品以10℃/分钟冷却至室温。

层5——第一电极50——100nm的金属(例如pt、au)或导电的钙钛矿薄膜(例如srruo3、nb:srtio3)。

通过直流磁控溅射生长100nm的pt薄膜。将样品在超高真空中加热至800℃并退火1小时。在100w的直流功率下沉积pt薄膜。生长后，将样品在真空下以10℃/分钟冷却至室温。

或100nm的srruo3薄膜，在700℃–780℃，50-300毫托的o2分压下生长。在沉积之后，随后在生长温度和600托的o2分压下对生长的膜进行20分钟原位后退火。然后，在600托的o2分压下将样品以10℃/分钟冷却至室温。

或100nm的nb:srtio3薄膜，在700℃，0毫托-60毫托的o2分压下生长。生长后，在600托的o2分压下将样品以10℃/分钟冷却至室温。

步骤3：光刻。

已经实施了标准光刻工艺以应用阵列图案。对于2d器件，可以沉积所有层然后进行图案化。对于3d堆叠器件，每个存储器单元层必须在沉积下一层之前进行图案化。

步骤4：刻蚀。

采用标准氩离子研磨(argonionmilling)工艺以去除材料并将图案从光刻转移到样品上，或采用任何其他合适的化学或物理刻蚀技术。