[发明专利]一种磁电复合多态存储器单元及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁电复合多态存储器单元及其制备方法，属于微电子器件及其制备技术领域。

背景技术

随着人们对存储器需求的迅速增加，存储技术正朝着高速、高密度的方向发展。多态存储器在一个存储单元中可存储多个信息状态，相比传统的二态存储器(每个存储单元存储0、1两种状态)可以在不改变存储单元数量的情况下成倍地提高存储容量。因此，多态存储技术被认为是未来高密度存储技术发展的重要方向。

目前，具有多态存储功能的材料主要有相变材料和多铁性材料两类。相变材料多态存储的原理主要是通过控制Ge-Sb-Te系材料的晶化程度获得不同阻值的电阻状态，从而实现多态存储。相变多态存储的主要缺点是高阻态与低阻态之间的中间状态电阻波动较大，噪声容限性差，电路设计和校验纠错程序复杂。多铁性材料是利用材料在不同的电场和磁场下表现出的四种不同极化状态(±P，±M)来实现多态存储的。多铁性材料按化学成分可分成两大类，一类是单相多铁性材料，另一类是多铁性磁电复合材料。单相多铁性材料实现多态存储通常是利用磁电隧道结在不同的极化状态下表现出四种遂穿电阻来实现的，但单相多铁性材料其居里温度或尼尔温度一般都远低于室温，常温下无法实现多态存储。多铁性磁电复合薄膜材料的多态存储原理是利用交变磁场诱导磁电复合材料磁电输出信号表现出的四种不同状态(电压大小和方向不同)来实现多态存储的。相比较而言，磁电复合多态存储具有结构简单、常温适用性好、读取速度快、非易失性(non-volatile)等优点。因此，多铁性磁电复合薄膜作为多态存储介质非常适合现代存储技术高速、高密度的发展趋势，在未来信息产业中潜在着巨大商业价值。

中国专利申请201010570946.3公开了一种全钙钛矿结构的多铁性磁电复合薄膜，但该薄膜取向为(100)，而且为双层复合结构，并且没有多态存储的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、四态输出特性良好的磁电复合多态存储器单元及其制备方法。该磁电复合多态存储器单元通过改变多铁性磁电复合薄膜材料剩余极化和剩余磁化方向实现数据写入，通过交变磁场诱导磁电复合材料磁电输出电压的大小和方向不同实现数据读出，从而实现四态存储。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁电复合多态存储器单元，包括在衬底上依次复合的底电极、铁电层和顶电极，所述底电极为铁磁层，所述顶电极为铁磁层或材料为Ag、Au、Pt、Cu或Al的薄膜层；所述铁磁层的材料为La_1-xSr_xMnM_yO₃，其中0.15≤x≤0.5，0≤y≤0.1，M为Ag、Bi、Cu、Co、Ni和Sc元素中的至少一种；所述铁电层的材料为BaTiO₃；所述铁磁层与铁电层的材料均具有(110)取向；所述铁磁层与铁电层的厚度比为0.1-20。

由于本发明的磁电复合多态存储器单元中的铁磁层在室温下具有良好的导电性(电阻率一般在10^-2Ω.cm左右)，因此该铁磁层可以直接作为低/顶电极使用。

本发明的磁电复合多态存储器单元中铁磁层与铁电层分别选取具有钙钛矿结构的LaSrMnO₃材料与BaTiO₃材料，两者结构匹配性较好，而且同属于氧化物体系，在热处理过程中不易出现相反应。铁磁层LaSrMnO₃材料中可参杂Ag、Bi、Cu、Co、Ni、Sc元素，其中元素Ag、Bi、Cu、Sc有利于提高LaSrMnO₃薄膜的导电性，Co和Ni有利于改善LaSrMnO₃薄膜的温度适用性。