[发明专利]一种可编程化的纳米探针存储器、其制备和使用方法

说明书

本发明属于亚10纳米尺寸范围内信息处理和存储领域，更具体地，涉及一种可编程化的纳米探针存储器、其制备和使用方法。其包括基于STT效应的磁性隧道结的核心结构；本发明的存储器其存储单元包括纳米尺寸的探针端和介质端，所述第一磁性层/隧穿绝缘层/第二磁性层构成的三层膜结构分布在所述探针端和/或介质端中，形成半磁性隧道结探针结构或一体化全磁性隧道结探针结构；该存储器单元工作时，所述探针端和介质端发生接触并形成通路，以进行读写操作。该存储器集NEMS和自旋电子技术优点于一身，且证明了放置在NEMS元件上的纳米器件可以作为高度可伸缩、非易失性和鲁棒控制的存储器。

技术领域

本发明属于亚10纳米尺寸范围内信息处理和存储领域，更具体地，涉及一种可编程化的纳米探针存储器、及其制备和使用方法。

背景技术

随着计算架构逐步发展为以数据为中心，以及内存计算等的兴起，内存的作用将变得越来越重要。除此之外，存储大量数据需要低功耗和较好的稳定性，目前的技术尚不能完全满足社会发展的需求，这就需要研究和开发新型存储技术。自旋电子器件，如磁隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)，是目前已知的具有足够高的耐久性的非易失性器件，它满足了最先进的信息和通信技术(ICT)系统中对非易失性和可循环工作存储器不断增长的需求。纳米机电系统(NEMS)技术是以机电结合为主要特征，基于纳米级结构新效应的器件和系统，可以拥有更高的密度和可编程控制性。

目前，由于对便携式电子设备的需求不断增长，闪存是增长最快的内存。迄今为止，随着每一项技术的进步，内存单元大小的减小一直是提高存储容量同时降低每比特成本的关键。然而，对于闪存技术来说，工作电压和隧穿介质层物是其尺寸缩小的基本限制，因此社会高速发展对亚10纳米节点的下一步尺寸缩减提出了重大挑战。人们提出了替代的系统和结构来克服传统闪存单元的尺寸障碍。可编程阻变器件，如相变存储器(PC-RAM)和电阻RAM(ReRAM)，已被用于存储器应用，但通常要求每个存储器单元内具备一个选择器，以减少在读取操作期间通过未选择的单元时的不必要的漏电流。因此，其阵列的大小将受到严重限制，导致内存阵列区域效率低下，存储密度较低。同时，选择器设备需要额外的处理步骤，虽然可以显著降低单元电流，但是也会导致读取操作变慢。

非易失性内存由于其稳定性、非易失性、强的抗辐射性能、高耐久性，高可擦除性以及较长的使用寿命而很有前途。下一代非易失性存储器有两种主要的潜在竞争技术，磁阻存储器和纳米机械存储器。每个竞争技术都有其优点和缺点。众所周知，磁阻器件具有优异的非易失性和可循环性，而纳米力学器件则具有优异的可扩展性和可编程操作性。

现有技术基于STT效应的MTJs存储器，其磁性隧道结(MTJs)的核心结构的三层膜设置于基底之上，仍面临着一些问题：比如，驱动磁矩翻转的临界电流密度较高，功耗较大，存储单元减小到一定尺寸时，磁阻比率会有所降低而导致器件的输出信号的信噪比降低。同时，架构复杂，密度满足不了存储需求，且误写率较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可编程化的纳米探针存储器、其制备和使用方法，其通过将NEMS(Nano-Electromechanical System,简称NEMS)和自旋电子技术结合，将基于STT效应的磁性隧道结的三层膜核心结构分布在探针端和/或介质端中，在极具垂直磁各向异性的磁性材料上进行的STT(Spin Transfer Torque，自旋转移力矩)电流翻转实验显示了非常有效的翻转控制能力，证明了放置在NEMS元件上的纳米器件可以作为高度可伸缩、非易失性和鲁棒控制的存储器，由此解决现行存储器翻转电流大、密度不足的技术问题，提升存储器的各项性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种存储器单元，其包括基于STT效应的磁性隧道结的核心结构，该核心结构主要为由第一磁性层/隧穿绝缘层/第二磁性层构成的三层膜结构；