专利名称：旋转检测磁性存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转检测磁性存储器。
背景技术：
硅上的磁性存储器也称为磁性随机存取存储器(MRAM)在过去数年有了很快的发展，并就这一主题例如可对照US专利No.5 650958。它们呈现了若干优点，诸如“FLASH”存储器的非易失性，静态存储器(SRAM)的速度，以及动态存储器(DRAM)的密度。除了这数个优点之外，它们还能够以很低的电压操作。
然而，制造MRAM的方法是复杂的。需要对一定的参数很精确的控制，按目前使用的是不易获得的材料。这些存储器难以获利的方式进行工业化，并直到现在只生产出少量的原型。
诸如US专利No.5 654 566中所述的第一型的旋转晶体管，外表如同场效应晶体管(FET)，所不同在于其源极和漏极分别由一个注入极和旋转极化电子的一个检测极代替，两者都由磁化的磁性材料制成。
旋转极化电子从注入极被注入到晶体管的沟道。它们在施加在注入极与检测极之间的磁场的效应下漂移。栅极的作用是操控从注入极到检测极通路上的旋转(改变旋转方向)。
三个元件即注入极、栅极和检测极的电位状态由晶体管的操作确定，这使得不能为了优化旋转极化电子向沟道的注入而自由修改这些电位，也不能为了优化旋转极化电子的检测而修改这些电位。
旋转晶体管的双极型通常也是指由US专利No.5 962 905所述。在这专利中，发射极和基极被覆盖在各磁化的磁性层中。虽然这两个元件由一个半导体结分开，但它们的电位可被调节的范围仍然是非常有限的。
发明内容
这样，本发明的目的是要提供一种旋转检测磁性存储器，其中旋转极化电子的注入和/或检测明显改进。
根据本发明，该存储器排布在由两个相邻的区形成的半导体结上，这两个区即分别呈现第一和第二型电导率的第一和第二区，该存储器包括配置在结的每一侧的第一和第二连接单元，每一个单元装有磁化模块；此外，至少一个单元除了其磁化模块之外包含偏压电极。
添加靠近磁化模块的一个电极使得能够改变模块的偏压，而不过分干扰存储器的操作。
磁化模块之一最好与半导体结相邻。
在另一优选实施例中，至少一个磁化模块包含一个缓冲层，与其所在的区接触，磁性层放置在所述缓冲层。
缓冲层最好由绝缘材料制成，并根据附加的特性，其厚度使得可通过磁性层与其所位于的区之间的隧道效应传导。
此外，存储器的两个磁化模块之间的距离小于旋转扩散长度的两倍。
另外，第一层呈现p-型导电性。
以下在通过参照附图的解释而给出的实施例的以下描述的上下文中，更为详细地表现本发明，该附图是本发明旋转检测存储器的图示。
具体实施例方式
参照图1，磁性存储器放置在半导体基片100上。
基片100具有第一区101，其上放置第一连接单元110。第一区101呈现第一型，即在本例中p-型电导率，而构成第二区102的基片其余部分呈现第二型，在本例中即n-型电导率。这样两个区之间的边界形成了一个半导体结103。
在这例子中，第一连接单元110是旋转极化电子的注入极。它包括一个由与第一区101接触的第一缓冲层111形成的第一磁化模块，以及放置在所述第一缓冲层上的第一磁性层112。
第一磁化模块最好位于半导体结103的中间附近。
旋转极化电子从第一磁性层112被注入到第一区101。
为了注入和检测旋转极化电子，必须有呈现强电子旋转极化的材料铁磁性材料自然是良好的选择对象。这些材料可以是绝缘体，半导体，或金属。对于诸如存储器这样的电子装置，最好使用铁磁性金属，因为铁磁性半导体是仅在最近才被合成的材料，且它们的技术仍然没有很好被掌握。此外，这些材料的居里温度相当低，低于300°K，并因而它们不能在环境温度中使用。反之导电的铁磁材料具有很高的居里温度，大大高于300°K。它们的技术被很好掌握，并可使用范围很广的铁磁金属(纯金属和合金)，其磁性质各异(矫顽磁场，磁各向异性...)。
电子可从铁磁性金属以各种方式特别是通过沟道结注入。使用铁磁金属所进行的实验表明，由这种金属通过沟道结发射的电子被强烈旋转极化。
这样，第一缓冲层111最好由绝缘材料诸如二氧化硅或氧化铝制成。
其呈现的厚度足够薄，一个纳米到几个纳米，以致第一磁性层112与第一区101之间的导电由沟道效应决定。
这样第一区101，第一缓冲层111和第一磁性层112的叠置构成一个沟道结。
为了使这一沟道结能够趋向被加偏压，第一磁化单元有一个偏压电极113与第一区101阻性接触。施加量级为几个伏特的相对低的电压，足以使接近与第一缓冲层111的界面的半导体101中的带(band)变直。这时电子一定能够被注入到这一半导体的导电带。
此外，第二连接单元120的作用是作为旋转极化电子的检测极。该单元置于第二区102上，其包括最好由第二缓冲层121形成的与第二区102接触的一个第二磁化模块，以及置于所述第二缓冲层上的第二磁性层122。
以上提及，一个沟道结明显增加了极化电子被注入的效率。这种注入还使得能够以类似的方式改进这种极化电子检测，因为通过该结进入铁磁性材料的电子的概率强烈依赖于其旋转的方向。
这样，第二缓冲层121最好由绝缘材料制成，以使第二沟道结由包括第二区102，第二缓冲层121及第二磁性层122的叠置构成。
为了改进检测的旋转选择性，最好使第二偏压电极123处于与第二区102阻性接触。通过例子，第二磁性层122与第二偏置电极之间电位差约为几个伏特。
由第一连接单元110注入用于向第二连接单元发送的电流是旋转极化的。换言之，其由大部分具有单一旋转类型即或者“上”旋或者“下”旋的电子构成。电流被极化的程度由在与缓冲层的界面处的磁性材料带结构决定。旋转极化取决于铁磁性金属磁化的方向。注入的电流I具有两个分量G+和G-，分别表示上旋和下旋电子电流的贡献。
在第二连接单元中，注入的电流被再分为由第二磁性层122拾取的检测电流，以及由第二偏压电极123拾取的漏电流。检测电流和漏电流与两个磁化模块的相对磁化相关。
当两个模块的磁化方向平行和反向平行时的检测电流分别记为ip和iap。类似地，当两个模块的磁化分别平行和反向平行时的漏电流记为jp和jap。
上旋和下旋电子将传送到第二磁性层的概率由系数α+和α-刻划，朝向阻性接触行进的概率由系数β刻划，其与旋转极化无关。
在平行配置中，各电流与分别有上旋和下旋的电子的浓度n+和n-相关如下I＝G++G-；ip＝α+n++α-n-；jp＝β(n++n-)在稳定的条件下，并仍然对于注入极和检测极相对磁化的平行配置，我们有
G+＝α+n++βn+；G-＝α-n-+βn-n+=G+α++β;n-=G-α-+β]]>ip=α+n++α-n-=α+α++βG++α-α-+βG-]]>当注入极与检测极的磁化为反向平行配置时，被检测的电流与平行配置比较而被修改G-＝α+n++βn+；G+＝α-n-+βn-n-=G+α-+β;n+=G-α++β]]>iap=α+n++α-n-=α+α++βG-+α-α-+βG+]]>得到ip-iap=α+α++β(G+-G-)-α-α-+β(G+-G-)]]>ip-iap=(G+-G-)(β(α--α-)(α++β)(α-+β))]]>ip-iap=α+α++β(G+-G-)-α-α-+β(G+-G-)]]>ip-iap=(G+-G-)(2α+α-+β(α+-α-)(α++β)(α-+β))]]>使用以下符号量化被注入的电流、检测电流、及被检测的电流的不对称性G+＝G+ΔG；G-＝G-ΔG；由此G=(G++G-)2]]>以及ΔG=(G+-G-)2]]>α+＝α+Δα；α-＝α-Δα；由此α=(α++α-)2]]>以及Δα=(α+-α-)2]]>i=(ip+iap)2]]>andΔi=(ip-iap)2]]>刻划检测极灵敏度的量是Δi/i，这是对于两种磁化配置的检测电流的相对变化
Δii=ΔGG×2βΔα2[α2-(Δα)2]+2βα=ΔGGΔααβα[1-(Δαα)2+βα]]]>假设(Δα)2显著小于α2，则获得以下关系Δii=ΔGG×Δαα×βα+β]]>ΔG/G刻划被注入的电子的旋转极化。
Δα/α刻划检测极的传送各向异性。
对于铁和钴的合金比率ΔG/G和Δα/α等于十分之几，大约为0.4。
这样灵敏度极限仅与铁磁结构的性质有关。当α＜＜β或甚至i＜＜j时达到这一极限。这样检测极呈现弱得多的电流(与注入的电流比较)，但对半导体中的旋转极化有最大的灵敏度。对于表示被注入电流10％的被检测电流，检测极的灵敏度将等于极限灵敏度的90％，这由所涉及的铁磁材料给出。
使用术语“集电极”指示两个磁化模块之间存在的空间，集电极包含当注入电流为零时没有旋转极化的电子的非负浓度。随着越来越多的旋转极化电子被注入，这些电子逐渐代替非极化的电子。在稳定条件下，旋转极化分布P在集电极建立，有以下形式p(x)＝p(O)exp(-x/Ls)其中x是电子与半导体结103之间的距离，Ls是旋转扩散长度。
Ls=Dτs]]>其中D是电子扩散系数，τs是旋转松弛时间。
这样两个磁化模块之间的距离d最好小于扩散Ls，虽然d可以大于扩散长度Ls，例如两倍Ls，到检测极灵敏度毁损。
在环境温度的硅中，载流子扩散系数和旋转松弛时间足够高，使得电子保持它们在几微米扩散长度上的旋转。通过电子顺磁性共振(EPR)技术的测量的导电电子的旋转松弛时间为10-8秒钟的量级。这对于Ls导致一个值，即扩散长度，这是几个微米的量级。由于距离d小于Ls，这样旋转松弛是可以忽略的现象，且旋转成为对每一电子特定的性质。
本发明的存储器可具体如下制造。该方法直到接触部分都是传统的CMOS制造方法。在打开接触或在填充与金属的接触之后，引入附加的步骤。绝缘沉积到几个微米的厚度；这一绝缘可以是二氧化硅，氧化铝，或任何其它已知的电介质。此后，沉积铁磁材料，例如钴与铁的合金。施加到该材料上的两个约束是具有与电介质尖锐的界面，同时在界面保持高的电子极化。沉积的磁性材料厚度可在几十到几百纳米的范围。此后，沉积传统的金属诸如铜或铝，或可提供良好电导率的任何其它材料。然后，电路以机械方式和化学方式抛光，以便在注入和检测区只留下磁性材料。然后该方法返回传统的途径。
该存储器的写入和删除，是使用使第一和第二磁性层112或122的磁化反向的磁场。因为通过检测极的电流依赖于注入极与检测极的磁化相对方向，单元的磁状态从通过检测极的电流读取。如在先有技术中，存储器可使电流通过两个被绝缘的横穿被磁化的磁性层的金属导体被写入。
当饱和电流通过两个导体被传送时，在它们交叉处产生的磁场足以引起磁化结构从平行状态向反平行状态。选择饱和电流，使得组合的磁场超过铁磁金属的临界磁场，该磁场对于大部分通过其磁各向异性确定。此外，如果饱和电流只施加到两个导体之一，则所产生的磁场不足以改变磁化。最后，导体的排布使得由饱和电流产生的磁场是很局限的。这一磁场低于改变其它位于接近两个导体交叉处的磁性元件的磁化所需的磁场。
这时磁化的两个可能的方向定义了存储器两个可能的逻辑状态(通常写为0和1)。
当然，上述类型的多个单个或单元存储器可被组合以构成存储器组件。
单元的结构使其能够与单个的元件诸如晶体管，二极管或电容器集成。这些组件用来操纵通过各个单元的读电流，这样使其能够提供具有随机存取的存储器组件(RAM)。
当前，所有非易失存储器(EEPROM，FLASH，FeRAM，MRAM)使用非标准的制造方法。制造需要添加四到五层的掩模，这造成大约20％的额外成本。
本发明中，能够使用传统的CMOS方法制造非易失存储器，而无须明显地增加各级掩模。此外，与FLASH存储器比较，本发明的存储器以低电压操作，且不需要泵送电荷。这对于移动应用是一个决定性的优点。
本发明特别适用于所谓芯片上系统(SOC)技术。SOC技术在单个芯片上集成所有的组件微型控制器，SRAM和DRAM存储器，专用逻辑，MEMS，化学传感器，及自然非易失存储器。这使得必须有尽可能标准的制造方法。
上述本发明的实施例是就其具体的性质选择的。然而不能穷举出由本发明涵盖的所有实施例。特别地，在不超出本发明范围之下，任何所述装置可由等价的装置代替。
权利要求
1.一种旋转检测磁性存储器，排布在由两个相邻的区形成的半导体结103上，这两个区即分别呈现第一型和第二型电导率的第一区101和第二区102，并包括配置在所述结103的两侧的第一和第二连接单元110和120，每一个单元提供有磁化模块111-112，121-122，该存储器的特征在于，至少一个单元除了所述磁化模块之外包含偏压电极113，123。
2.根据权利要求1的存储器，其特征在于，所述磁化模块111-112之一与所述结相邻。
3.根据权利要求1或2的存储器，其特征在于，所述磁化模块至少之一包含缓冲层111，与所述区101接触，磁性层102置于所述缓冲层上。
4.根据权利要求3的存储器，其特征在于，所述缓冲层111由绝缘材料制成。
5.根据权利要求4的存储器，其特征在于，所述缓冲层111的厚度使得能够通过所述磁化层与所述区之间的沟道效应发生传导。
6.根据任何以上权利要求的存储器，其特征在于，两个磁化模块111-112，121-122之间的距离小于旋转扩散长度的两倍。
7.根据以上任意一项权利要求的存储器，其特征在于，所述第一区101呈现p-型导电性。
全文摘要
本发明涉及配置在半导体结(103)上由2个相邻区形成的旋转检测磁性存储器，第一个(101)和第二个(102)区具有分别为第一和第二类型的电导率；所述存储器包括配置在所述结(103)侧面的第一(110)和第二(120)连接单元，每一个单元装有磁化的模块(111－112，121－122)。至少一个所述单元包括在磁化模块顶部的极化电极(113，123)。
文档编号H01L29/66GK1745430SQ200380109262
公开日2006年3月8日 申请日期2003年12月22日 优先权日2002年12月27日
发明者维亚谢克拉弗·萨法罗夫 申请人:地中海大学, 国家科研中心