专利名称：一种自旋场效应晶体管及其磁性存储器的制作方法
技术领域：
本发明属于自旋磁学领域，尤其涉及一种自旋场效应晶体管，以及基于该自旋场效应晶体管的存储单元及其磁性存储器。
背景技术：
众所周知，在纳米磁性多层膜和磁性隧道结(MTJ)中观测到的巨磁电阻效应 (Giant Magneto-resistance, GMR)禾口隧穿磁电阻效应(TunnelingMagneto-resistance, TMR)已被广泛地应用于计算机磁读头和磁敏传感器等领域，而其中MTJ的另外一个极其重要的应用就是可以作为磁随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)的最佳存储单元。目前，人们提出的MRAM结构基本上是将磁性隧道结(MTJ)和金属-氧化物-半导体(M0Q场效应晶体管集成在一起形成存储单元，但MOS场效应晶体管不具备存储功能，因此当与诸如静态随机存储器的外部装置配合进行存储时，该存储为易失性的，断电后数据则消失。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种具有存储功能的自旋场效应晶体管以及基于此种晶体管的磁性存储单元。另外，本发明的还提供一种基于这种存储单元的磁性存储器。本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的根据本发明的一方面，提供一种自旋场效应晶体管，包括栅极、源极和漏极；被设置用于在所述源极和漏极之间形成导电沟道的半导体层；和位于所述半导体层与所述栅极之间的栅极介质层；其中，该栅极介质层包括第一、第二和第三部分，其中所述第一、第三部分在横向上被所述第二部分间隔开，并且所述第一部分和第三部分由铁磁性绝缘材料制成，所述第二部分由非磁性绝缘材料制成，所述第一部分和第三部分的矫顽力不同。在上述自旋场效应晶体管中，所述第一部分和第三部分由不同铁磁性绝缘材料制成。在上述自旋场效应晶体管中，所述第一部分和第三部分由同一铁磁性绝缘材料制成，但具有不同体积。在上述自旋场效应晶体管中，所述第一部分和第三部分的宽度相同，厚度比在 1 2 1 5之间；或厚度相同，宽度比在1 2 1 5之间。在上述自旋场效应晶体管中，所述半导体层为N型半导体、P型半导体或石墨烯， 其中当栅极所加电压大于晶体管开启电压时，在栅极介质层和半导体层的界面处形成导电沟道。
在上述自旋场效应晶体管中，当采用N型半导体或石墨烯时，所形成的导电沟道为可自旋极化的二维电子气。在上述自旋场效应晶体管中，当采用P型半导体时，所形成的导电沟道为可自旋极化的二维空穴气。根据本发明的另一方面，提供一种磁性存储单元，其中，该磁性存储单元包括以上所述的自旋场效应晶体管。在上述磁性存储单元中，所述存储单元采用单位线结构或双位线结构。在上述磁性存储单元中，所述单位线结构包括字线和位线，其中所述字线为所述自旋场效应晶体管的栅极，所述位线与所述字线相互垂直。在上述磁性存储单元中，所述双位线结构包括字线、读位线和写位线，其中所述字线为所述自旋场效应晶体管的栅极，所述读位线和写位线相互平行且被间隔开，该读、写位线均与所述字线相互垂直。根据本发明的再一方面，提供一种磁性存储器，其中包括以上所述的磁性存储单元。与现有技术相比，本发明的优点在于1.自旋场效应晶体管具有存储功能；2.基于该自旋场效应管的磁随机存取存储器具有非易失性；结构更加简单，非常有利于提高存储器的密度。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中图Ia是根据本发明实施例的基于P型半导体的自旋场效应晶体管的结构图；图Ib是根据本发明实施例的基于P型半导体的自旋场效应晶体管处于开启状态 (Vg > Vg(th))的结构图；图加和2b为图1的自旋场效应晶体管分别在写入低阻态“0”和高阻态“1”时的
结构原理示意图；图3是本发明自旋场效应晶体管中的二维电子气自旋极化的物理原理示意图；图4是根据本发明实施例的基于N型半导体的自旋场效应晶体管处于开启状态 (Vg > Vg(th))的结构图；图如和恥为图4的自旋场效应晶体管分别在写入低阻态“0”和高阻态“1”时的
结构原理示意图；图6是根据本发明实施例的石墨烯自旋场效应晶体管处于开启状态(Vg > Vg(th)) 的结构图；图7a和7b为图6的自旋场效应晶体管分别在写入低阻态“0”和高阻态“ 1”时的
结构原理示意图；图8A和8B分别是本发明实施例的基于自旋场效应晶体管的单位线存储单元的横向剖面图和沿图8A中线A-A的纵向剖面图；图8C是本发明实施例的基于自旋场效应晶体管的单位线存储单元在位线2c以下部分的俯视图9A和9B分别是本发明实施例的基于自旋场效应晶体管的双位线存储单元的横向剖面图和沿图9A中线B-B的纵向剖面图；图9C是本发明实施例的基于自旋场效应晶体管的双位线存储单元在读位线2c和写位线2d以下部分的的俯视图。
具体实施例方式以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明的目的，其不以任何方式限制本发明的范围。[实施例1]基于P型半导体的自旋场效应晶体管图Ia是根据本发明实施例的基于P型半导体的自旋场效应晶体管处于未加电压时的结构图。从图中可以看出，整个自旋场效应晶体管类似于传统MOS晶体管的结构。图中“P”区为半导体P型掺杂区，在“P”区上制备出两个高掺杂浓度的N型掺杂区，分别形成源极和漏极。在该源极和漏极之间的“P”区的表面上覆盖一层绝缘材料(该绝缘层也称为栅极介质层)，然后在该绝缘层表面用金属铝引出一个栅电极(简称栅极或门极)。从图中可以看出，栅极介质层包括三个部分a、b、c，其中a部分和c部分由同一铁磁性绝缘材料制成(下文将其称为铁磁性绝缘体a、c)，二者厚度相同，例如在2nm IOOnm之间，但a部分的宽度大于c部分的宽度，例如宽度比在1 2 1 5之间，以使a、c部分具有不同大小的矫顽力Hci和Hc2 (这里定义Hc2 > Hci)。位于a、c部分之间的b部分由传统非磁性绝缘材料制成。所述铁磁性绝缘材料的例子包括但不限于EuS，EuO, MgCVxCx, MgCVxNx，Mg1^xGdxO, Mgl_xFex0, Mgl_xCox0，Mgl_xNix0，CdCr2S4, CdCr2Se4, ,Ga1^xMnxAs, Cd1^xMnxTe, Zn1^xMnxSe, CrB3, CrB3, YTiO3, SeCuO3, SeCuO3, K2Cr8O16, La2MnNiO6, La2MnNiO2, La0 7Pb0 3MnO3, Nd0 8Pb0 2MnO3, Nd0.7Pb0.3Mn03, Nd0.5Ca0.5Mn0.97Co0.0303，La2MnNiO6, La0.825Ca0.175Mn03, Nd0.5Sr0.4Pb0. iMn0. Zn0.92Co0.05Mn0.030, Gd 等，其中 0 < χ < 1。上述自旋场效应晶体管的工作原理为当栅极加正电压Vg > 0时，自旋场效应晶体管处于关闭状态；当栅极加正电压Vg > Vth (开启电压)时，在栅极绝缘层和P型硅衬底界面处形成二维电子气导电沟道，自旋场效应晶体管处于开启状态。图Ib是根据本发明实施例的基于P型半导体的自旋场效应晶体管处于开启状态(Vg >Vg(th))的结构图。图加和2b为图1的自旋场效应晶体管分别在写入低阻态“0”和高阻态“1”时的结构原理示意图。参考图加和2b，电子从漏极向源极输运的过程中，先经过铁磁性绝缘体a的下方，并发生自旋极化，方向和铁磁性绝缘体a的磁矩方向相同，随后电子再经过铁磁性绝缘体c的下方。当铁磁性绝缘体c的磁矩和a的磁矩相同时，电子发生的自旋相关的散射小，此时为低电阻状态(如图加所示)；当铁磁绝缘体c的磁矩和a的磁矩相反时，电子发生的自旋相关的散射大，此时为高电阻状态(如图2b所示)。图3是本发明自旋场效应晶体管中的二维电子气自旋极化的物理原理示意图。图中Z轴代表能级轴，图中各层从左至右依次为磁性绝缘层、二维电子气层、耗尽层和P型半导体层。各层中的电子能级如图中横线所示，箭头代表能级中电子自旋方向。在栅极电压大于开启电压时，绝缘层和耗尽层界面会产生二维电子气。由于量子效应，磁性绝缘体中能带的劈裂会导致二维电子气能级的自旋的劈裂，因此，二维电子气是自旋极化的。由于二维电子气在铁磁绝缘层的作用下可以形成自旋极化的二维电子气，通过控制栅极绝缘层中两侧的铁磁绝缘体磁矩的方向，即可得到两个不同的电阻状态，由此进行二进制的数据存储。另外，由于铁磁性绝缘体中磁矩的方向不会在断电时发生改变，因此数据的存储是非易失性的。[实施例2]基于N型半导体的自旋场效应晶体管图4是根据本发明实施例的基于N型半导体的自旋场效应晶体管处于开启状态 (Vg > Vg(th))的结构图。与实施例1不同的是，图4中“N”区为半导体N型掺杂区，在N区上制备出两个高掺杂浓度的P型掺杂区，分别形成源极和漏极。所述栅极绝缘层的结构和材料与实施例1中相同，在此不再赘述。然后，在该绝缘层表面处用金属铝引出一个栅电极。上述自旋场效应晶体管的工作原理是当栅极加正电压Vg > 0时，自旋场效应晶体管处于关闭状态；当栅极加负电压的绝对值|Vg| > Vth(开启电压)时，在栅极绝缘层之下和N型硅衬底界面处形成二维空穴气导电沟道，自旋场效应晶体管处于开启状态。图如和恥为图4的自旋场效应晶体管分别在写入低阻态“0”和高阻态“1”时的结构原理示意图。空穴从漏极向源极输运的过程中，先经过铁磁性绝缘体a的下方，并发生自旋极化，方向和铁磁性绝缘体a的磁矩方向相同，随后空穴再经过铁磁性绝缘体c的下方。当铁磁性绝缘体c的磁矩和a的磁矩相同时，空穴发生的自旋相关的散射小，此时为低电阻状态(如图fe所示)；当铁磁绝缘体c的磁矩和a的磁矩相反时，空穴发生的自旋相关的散射大，此时为高电阻状态(如图恥所示)。二维空穴气在铁磁绝缘层的作用下，可以形成自旋极化的二维空穴气。通过控制绝缘层中两侧铁磁绝缘体磁矩的方向，可以得到两个不同的电阻状态。利用铁磁性绝缘体磁矩的方向的不同，可以进行二进制的数据存储。由于磁矩的方向不会在断电时发生改变， 数据的存储是非易失性的。[实施例3]石墨烯自旋场效应晶体管图6是根据本发明实施例的石墨烯自旋场效应晶体管处于开启状态(Vg > Vg(th)) 的结构图。图中在Si/Si02衬底表面利用Si的高蒸汽压，在超高真空的高温环境下将Si原子脱离体材料，从而得到单层石墨烯，然后通过注入无水NH3,将石墨烯变为N型半导体。在该石墨烯表面制备出两个金属电极，例如Au，分别作为源极和漏极。位于该源极和漏极之间的石墨烯表面上覆盖有一层绝缘材料。该绝缘层的结构及材料与实施例1中相同。然后， 在该绝缘层表面处用金属铝引出一个栅电极。上述自旋场效应晶体管的工作原理是当栅极电压Vg在石墨烯的狄拉克电压附近时，石墨烯处于高阻态，样品中的载流子浓度极小，自旋场效应晶体管处于高阻状态；当栅极电压vg(此处指IvgI)远离狄拉克电压时，石墨烯处于低阻态，样品中的载流子浓度大，自旋场效应晶体管处于低阻状态。图7a和7b为图6的自旋场效应晶体管分别在写入低阻态 “0”和高阻态“1”时的结构原理示意图。参考图7a和7b，电子从漏极向源极输运的过程中， 先经过铁磁性绝缘体a的下方，并发生自旋极化，方向和铁磁性绝缘体a的磁矩方向相同， 随后电子再经过铁磁性绝缘体c的下方。当铁磁性绝缘体c的磁矩和a的磁矩相同时，电子发生的自旋相关的散射小，此时为低电阻状态(如图7a所示)；当铁磁绝缘体c的磁矩和a的磁矩相反时，电子发生的自旋相关的散射大，此时为高电阻状态(如图7b所示)。由于石墨烯中的二维电子气在铁磁绝缘层的作用下，可以形成自旋极化的二维电
6子气。通过控制绝缘层中两侧铁磁绝缘体磁矩的方向，可以得到两个不同的电阻状态，由此进行二进制的数据存储。由于磁矩的方向不会在断电时发生改变，因此数据的存储是非易失性的。应该理解，上述制备石墨烯的方法仅为示意性的，在本发明的其他实施例中，还可以采用其他方法，包括碳化物的高温分解方法；金属单晶(含有的微量碳成分)通过在超高真空下高温退火，将其内部的碳元素析出从而在表面形成石墨烯；氧化石墨还原法等。在本发明的其他实施例中，所述石墨烯还可以是P型，另外，所述Si/Si02还可以由诸如SiO2, SiC, AL2O3，MgO或SrTiO3等绝缘材料所替代。从以上实施例1至3中可以看出，本发明自旋场效应晶体管中的栅极绝缘层包括磁性绝缘体a和c，以及将二者间隔开的非磁性绝缘体b。尽管在上述实施例中磁性绝缘体 a和c由同一磁性绝缘材料制成，且二者厚度相同、宽度不同，但这仅为示意性的，其目的使磁性绝缘体a和c具有大小不同的矫顽力，从而在写入数据时，让铁磁绝缘体中矫顽力较小的绝缘铁磁体的磁矩发生翻转，而矫顽力较大的另外一个绝缘铁磁体的磁矩方向保持不变，以此来实现两铁磁绝缘体的磁矩在平行和反平行状态之间的转换，完成数据0和1的写入。因此，能够使磁性绝缘体a和c具有大小不同的矫顽力的结构及材料均包含在本发明中。例如，在一个实施例中，磁性绝缘体3和c由同一铁磁性绝缘材料制成，但具有不同的体积。在另一个实施例中，磁性绝缘体a和c由同一铁磁性绝缘材料制成，二者的宽度相同但厚度不同，优选宽度在10 180nm之间，厚度比在1 2 1 5之间。在又一个实施例中，磁性绝缘体a和c由两种不同的铁磁性绝缘材料制成。[实施例4]基于自旋晶体管的单位线存储单元图8A和8B分别是本发明实施例的基于自旋场效应晶体管的单位线存储单元的横向剖面图和沿图8A中线A-A的纵向剖面图。从图8A中可以看出，自旋晶体管包括源极 (Oa)，漏极(Ob)，栅极(即字线(2a)),以及在栅极(2a)和半导体层之间的栅极绝缘层(4a, 4b和4c)，该绝缘层包括铁磁性绝缘体如和4c，以及将二者间隔开的非磁性绝缘体4b。该基于自旋场效应晶体管的存储单元包括层la、lb、lC、ld、le，这些层中的非功能区域由绝缘介质如Si02、Al2O3等填埋。其中金属布线层有两层位线BU2c)所在层ld，以及地线 6冊(213)、字线札^1)所在层lb。位线BU2c)位于自旋场效应晶体管正上方，通过绝缘填埋介质与其它金属层相隔开，并且与字线Oa)相互垂直。位线BU2c)通过金属导通孔(3b) 与自旋场效应晶体管的漏极(Ob)相连，地线GNDQb)通过金属导通孔(3a)与自旋场效应晶体管的源极(Oa)相连。该基于自旋场效应晶体管结构的单位线存储单元的纵向剖面示意图可参看图8B。图8C为该单位线存储单元在位线2c以下部分的俯视图。在上述单位线存储单元的寻址读出操作中，首先由被选择的字线WU2a)给出一个适当的电平使晶体管TR(O)工作于导通状态，然后由被选择的位线BU2c)相应地导出一个读出电流，经由接触孔(3b)、晶体管TR(O)的漏极(Ob)、晶体管TR(O)的源极(0a)、接触孔(3a)而到达地线GND(2b)，从而获得自旋极化晶体管当前的存储状态。在上述单位线存储单元的寻址写入操作中，首先由被选择的字线WU2a)给出一个适当的电平使晶体管TR(O)工作于导通状态，然后由被选择的位线BU2c)提供一个写入电流，经由接触孔(3b)、晶体管TR(O)的漏极(Ob)、晶体管TR(O)的源极(0a)、接触孔(3a) 而到达地线GNDQb)。由于字线WU2a)和位线BU2c)中的电流会分别产生磁场Hw和HB，并且两条线产生的磁场相互垂直，两磁场的合磁场HT可以使得铁磁性绝缘体如的磁矩发生翻转，即让铁磁绝缘体中矫顽力较小的绝缘铁磁体的磁矩发生翻转，而矫顽力较大的另外一个绝缘铁磁体的磁矩方向保持不变，以此来实现两铁磁绝缘体的磁矩在平行和反平行状态之间的转换，从而实现数据“0”和“1”的写入。需要注意的是，HT的值要大于矫顽力较小的铁磁绝缘层的磁矩翻转场临界值H&。为防止写入过程中将除所选单元以外存储单元中铁磁绝缘层的磁矩翻转，Hff和Hb的值均不能超过Ηα。[实施例5]基于自旋晶体管的双位线存储单元图9Α和9Β分别是本发明实施例的基于自旋场效应晶体管的双位线存储单元的横向剖面图和沿图9Α中线B-B的纵向剖面图。从图9Α和9Β中可以看出，该双位线存储单元与实施例4的单位线存储单元的不同之处是在层Id中具有两条相互平行的位线，即写位线WBL(2c)和读位线RBL (2d)，并且读位线RBL (2d)通过金属导通孔(3c)、过渡金属层(3b) 和自旋场效应晶体管的漏极相连。该基于自旋场效应晶体管的双位线存储单元的俯视图可参看图9C。在上述单位线存储单元的寻址读出操作中，首先由被选择的字线WU2a)给出一个适当的电平使晶体管TR(O)工作于导通状态，然后由被选择的读位线RBL(2d)相应地导出一个读出电流，经由金属导通孔(3c)、过渡金属层C3b)、晶体管TR(O)的漏极(Ob)、晶体管TR(O)的源极(0a)、接触孔(3a)而到达地线GND (2b)，从而获得自旋极化晶体管当前的存储状态。在上述单位线存储单元的寻址写入操作中，首先由被选择的字线WU2a)和写位线WBL(2c)同时通入电流，电流会产生磁场，并且两条线产生的磁场相互垂直。两磁场的合磁场可以使得铁磁绝缘体如的磁矩发生翻转，从而实现数据的写入。在上述双位线结构中，由于读位线Od)在数据读出时为晶体管提供适当大小的读取电流，写位线Oc)在数据写入时提供位线方向的写入电流，这种利用单独的写位线提供位线方向的写入电流，可以有效避免位线方向的漏电流的产生。相比于实施例4的单位线结构，可以更有效地进行读出或写入，因此为一种优选结构。从实施例4和5可以看出，通过位线和字线中的电流来控制绝缘层中两侧铁磁绝缘体磁矩的方向，可以得到两个不同的电阻状态，由此进行二进制的数据存储。由于磁矩的方向不会在断电时发生改变，因此对于存储单元来说，数据的存储是非易失性的。根据本发明，提供一种基于上述具有单位线或双位线结构的存储单元的磁性随机存取存储器。在本发明的磁随机存储器中，包括存储单元阵列，该存储单元阵列由上述存储单元组成，包括单位线存储单元或双位线存储单元。利用相互垂直的字线和位线对存储单元进行选择进而进行读和写的操作。具体而言，对于单位线结构存储单元构成的阵列，利用相互垂直的字线和位线可直接进行读和写的操作。对于双位线结构存储单元构成的阵列， 利用相互垂直的字线和读位线对所选择的存储单元进行读的操作；利用相互垂直的字线和写位线对所选择的存储单元进行写的操作。和DRAM、SRAM等存储器相比，上述基于自旋场效应管的磁性随机存取存储器有数据非易失性、写入快速等优点；和MRAM相比，其结构更加简单，非常有利于提高存储器的密度。根据本发明，还提供一种采用本发明自旋场效应晶体管的磁性存储单元的磁性存其中该磁性存储器件还包括信号输入线和信号输出线。在一个实施例中，输入线为字线和位线，因为数据的输入同时需要(写)字线和位线。输出线为位线，但需要(读) 字线的辅助打开晶体管。 尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
权利要求
1.一种自旋场效应晶体管，包括栅极、源极和漏极；被设置用于在所述源极和漏极之间形成导电沟道的半导体层；和位于所述半导体层与所述栅极之间的栅极介质层；其特征在于，该栅极介质层包括第一、第二和第三部分，其中所述第一、第三部分在横向上被所述第二部分间隔开，并且所述第一部分和第三部分由铁磁性绝缘材料制成，所述第二部分由非磁性绝缘材料制成，所述第一部分和第三部分的矫顽力不同。
2.根据权利要求1所述的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述第一部分和第三部分由不同铁磁性绝缘材料制成。
3.根据权利要求1所述的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述第一部分和第三部分由同一铁磁性绝缘材料制成，但具有不同体积。
4.根据权利要求3所述的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述第一部分和第三部分的宽度相同，厚度比在1 2 1 5之间；或厚度相同，宽度比在1 2 1 5之间。
5.根据权利要求1所述的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述半导体层为N型半导体、P型半导体或石墨烯，其中当栅极所加电压大于晶体管开启电压时，在栅极介质层和半导体层的界面处形成导电沟道。
6.根据权利要求5所述的自旋场效应晶体管，其特征在于，当采用N型半导体或石墨烯时，所形成的导电沟道为可自旋极化的二维电子气。
7.根据权利要求6所述的自旋场效应晶体管，其特征在于，当采用P型半导体时，所形成的导电沟道为可自旋极化的二维空穴气。
8.一种磁性存储单元，其特征在于，该磁性存储单元包括如权利要求1至7中任一项所述自旋场效应晶体管。
9.根据权利要求8所述的磁性存储单元，其特征在于，所述存储单元采用单位线结构或双位线结构。
10.根据权利要求9所述的磁性存储单元，其特征在于，所述单位线结构包括字线和位线，其中所述字线为所述自旋场效应晶体管的栅极，所述位线与所述字线相互垂直。
11.根据权利要求9所述的磁性存储单元，其特征在于，所述双位线结构包括字线、读位线和写位线，其中所述字线为所述自旋场效应晶体管的栅极，所述读位线和写位线相互平行且被间隔开，该读、写位线均与所述字线相互垂直。
12.一种磁性存储器，其特征在于，包括如权利要求9至11中任一项所述的磁性存储单元 。
全文摘要
本发明提出一种自旋场效应晶体管及其磁性存储器，包括栅极、源极和漏极；被设置用于在所述源极和漏极之间形成导电沟道的半导体层；和位于所述半导体层与所述栅极之间的栅极介质层；其中该栅极介质层包括第一、第二和第三部分，其中所述第一、第三部分在横向上被所述第二部分间隔开，并且所述第一部分和第三部分由铁磁性绝缘材料制成，所述第二部分由非磁性绝缘材料制成，所述第一部分和第三部分的矫顽力不同。以本发明的自旋场效应晶体管作为存储单元的磁性存储器具有数据非易失性、读写快速、存储单元结构简单、低功耗和抗辐射等优点。
文档编号H01L27/22GK102315255SQ201010227339
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月7日 优先权日2010年7月7日
发明者于国强, 张晓光, 王文秀, 韩秀峰, 骆军 申请人:中国科学院物理研究所