[發明專利]一種可編程化的納米探針存儲器、其制備和使用方法

在審

• 申請號: 202010053576.X
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111403598A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 洪正敏;李若凡;游龍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/12;G11C11/16;H01L27/22
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 彭翠;李智

本發明屬于亞10納米尺寸范圍內信息處理和存儲領域，更具體地，涉及一種可編程化的納米探針存儲器、其制備和使用方法。其包括基于STT效應的磁性隧道結的核心結構；本發明的存儲器其存儲單元包括納米尺寸的探針端和介質端，所述第一磁性層/隧穿絕緣層/第二磁性層構成的三層膜結構分布在所述探針端和/或介質端中，形成半磁性隧道結探針結構或一體化全磁性隧道結探針結構；該存儲器單元工作時，所述探針端和介質端發生接觸并形成通路，以進行讀寫操作。該存儲器集NEMS和自旋電子技術優點于一身，且證明了放置在NEMS元件上的納米器件可以作為高度可伸縮、非易失性和魯棒控制的存儲器。

技術領域

本發明屬于亞10納米尺寸范圍內信息處理和存儲領域，更具體地，涉及一種可編程化的納米探針存儲器、及其制備和使用方法。

背景技術

隨著計算架構逐步發展為以數據為中心，以及內存計算等的興起，內存的作用將變得越來越重要。除此之外，存儲大量數據需要低功耗和較好的穩定性，目前的技術尚不能完全滿足社會發展的需求，這就需要研究和開發新型存儲技術。自旋電子器件，如磁隧道結(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)，是目前已知的具有足夠高的耐久性的非易失性器件，它滿足了最先進的信息和通信技術(ICT)系統中對非易失性和可循環工作存儲器不斷增長的需求。納米機電系統(NEMS)技術是以機電結合為主要特征，基于納米級結構新效應的器件和系統，可以擁有更高的密度和可編程控制性。

目前，由于對便攜式電子設備的需求不斷增長，閃存是增長最快的內存。迄今為止，隨著每一項技術的進步，內存單元大小的減小一直是提高存儲容量同時降低每比特成本的關鍵。然而，對于閃存技術來說，工作電壓和隧穿介質層物是其尺寸縮小的基本限制，因此社會高速發展對亞10納米節點的下一步尺寸縮減提出了重大挑戰。人們提出了替代的系統和結構來克服傳統閃存單元的尺寸障礙。可編程阻變器件，如相變存儲器(PC-RAM)和電阻RAM(ReRAM)，已被用于存儲器應用，但通常要求每個存儲器單元內具備一個選擇器，以減少在讀取操作期間通過未選擇的單元時的不必要的漏電流。因此，其陣列的大小將受到嚴重限制，導致內存陣列區域效率低下，存儲密度較低。同時，選擇器設備需要額外的處理步驟，雖然可以顯著降低單元電流，但是也會導致讀取操作變慢。

非易失性內存由于其穩定性、非易失性、強的抗輻射性能、高耐久性，高可擦除性以及較長的使用壽命而很有前途。下一代非易失性存儲器有兩種主要的潛在競爭技術，磁阻存儲器和納米機械存儲器。每個競爭技術都有其優點和缺點。眾所周知，磁阻器件具有優異的非易失性和可循環性，而納米力學器件則具有優異的可擴展性和可編程操作性。

現有技術基于STT效應的MTJs存儲器，其磁性隧道結(MTJs)的核心結構的三層膜設置于基底之上，仍面臨著一些問題：比如，驅動磁矩翻轉的臨界電流密度較高，功耗較大，存儲單元減小到一定尺寸時，磁阻比率會有所降低而導致器件的輸出信號的信噪比降低。同時，架構復雜，密度滿足不了存儲需求，且誤寫率較高。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種可編程化的納米探針存儲器、其制備和使用方法，其通過將NEMS(Nano-Electromechanical System,簡稱NEMS)和自旋電子技術結合，將基于STT效應的磁性隧道結的三層膜核心結構分布在探針端和/或介質端中，在極具垂直磁各向異性的磁性材料上進行的STT(Spin Transfer Torque，自旋轉移力矩)電流翻轉實驗顯示了非常有效的翻轉控制能力，證明了放置在NEMS元件上的納米器件可以作為高度可伸縮、非易失性和魯棒控制的存儲器，由此解決現行存儲器翻轉電流大、密度不足的技術問題，提升存儲器的各項性能。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種存儲器單元，其包括基于STT效應的磁性隧道結的核心結構，該核心結構主要為由第一磁性層/隧穿絕緣層/第二磁性層構成的三層膜結構；