專利名稱：旋轉檢測磁性存儲器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及旋轉檢測磁性存儲器。
背景技術：
硅上的磁性存儲器也稱為磁性隨機存取存儲器(MRAM)在過去數(shù)年有了很快的發(fā)展，并就這一主題例如可對照US專利No.5 650958。它們呈現(xiàn)了若干優(yōu)點，諸如“FLASH”存儲器的非易失性，靜態(tài)存儲器(SRAM)的速度，以及動態(tài)存儲器(DRAM)的密度。除了這數(shù)個優(yōu)點之外，它們還能夠以很低的電壓操作。
然而，制造MRAM的方法是復雜的。需要對一定的參數(shù)很精確的控制，按目前使用的是不易獲得的材料。這些存儲器難以獲利的方式進行工業(yè)化，并直到現(xiàn)在只生產出少量的原型。
諸如US專利No.5 654 566中所述的第一型的旋轉晶體管，外表如同場效應晶體管(FET)，所不同在于其源極和漏極分別由一個注入極和旋轉極化電子的一個檢測極代替，兩者都由磁化的磁性材料制成。
旋轉極化電子從注入極被注入到晶體管的溝道。它們在施加在注入極與檢測極之間的磁場的效應下漂移。柵極的作用是操控從注入極到檢測極通路上的旋轉(改變旋轉方向)。
三個元件即注入極、柵極和檢測極的電位狀態(tài)由晶體管的操作確定，這使得不能為了優(yōu)化旋轉極化電子向溝道的注入而自由修改這些電位，也不能為了優(yōu)化旋轉極化電子的檢測而修改這些電位。
旋轉晶體管的雙極型通常也是指由US專利No.5 962 905所述。在這專利中，發(fā)射極和基極被覆蓋在各磁化的磁性層中。雖然這兩個元件由一個半導體結分開，但它們的電位可被調節(jié)的范圍仍然是非常有限的。

發(fā)明內容
這樣，本發(fā)明的目的是要提供一種旋轉檢測磁性存儲器，其中旋轉極化電子的注入和/或檢測明顯改進。
根據本發(fā)明，該存儲器排布在由兩個相鄰的區(qū)形成的半導體結上，這兩個區(qū)即分別呈現(xiàn)第一和第二型電導率的第一和第二區(qū)，該存儲器包括配置在結的每一側的第一和第二連接單元，每一個單元裝有磁化模塊；此外，至少一個單元除了其磁化模塊之外包含偏壓電極。
添加靠近磁化模塊的一個電極使得能夠改變模塊的偏壓，而不過分干擾存儲器的操作。
磁化模塊之一最好與半導體結相鄰。
在另一優(yōu)選實施例中，至少一個磁化模塊包含一個緩沖層，與其所在的區(qū)接觸，磁性層放置在所述緩沖層。
緩沖層最好由絕緣材料制成，并根據附加的特性，其厚度使得可通過磁性層與其所位于的區(qū)之間的隧道效應傳導。
此外，存儲器的兩個磁化模塊之間的距離小于旋轉擴散長度的兩倍。
另外，第一層呈現(xiàn)p-型導電性。


以下在通過參照附圖的解釋而給出的實施例的以下描述的上下文中，更為詳細地表現(xiàn)本發(fā)明，該附圖是本發(fā)明旋轉檢測存儲器的圖示。
具體實施例方式
參照圖1，磁性存儲器放置在半導體基片100上。
基片100具有第一區(qū)101，其上放置第一連接單元110。第一區(qū)101呈現(xiàn)第一型，即在本例中p-型電導率，而構成第二區(qū)102的基片其余部分呈現(xiàn)第二型，在本例中即n-型電導率。這樣兩個區(qū)之間的邊界形成了一個半導體結103。
在這例子中，第一連接單元110是旋轉極化電子的注入極。它包括一個由與第一區(qū)101接觸的第一緩沖層111形成的第一磁化模塊，以及放置在所述第一緩沖層上的第一磁性層112。
第一磁化模塊最好位于半導體結103的中間附近。
旋轉極化電子從第一磁性層112被注入到第一區(qū)101。
為了注入和檢測旋轉極化電子，必須有呈現(xiàn)強電子旋轉極化的材料鐵磁性材料自然是良好的選擇對象。這些材料可以是絕緣體，半導體，或金屬。對于諸如存儲器這樣的電子裝置，最好使用鐵磁性金屬，因為鐵磁性半導體是僅在最近才被合成的材料，且它們的技術仍然沒有很好被掌握。此外，這些材料的居里溫度相當?shù)?，低?00°K，并因而它們不能在環(huán)境溫度中使用。反之導電的鐵磁材料具有很高的居里溫度，大大高于300°K。它們的技術被很好掌握，并可使用范圍很廣的鐵磁金屬(純金屬和合金)，其磁性質各異(矯頑磁場，磁各向異性...)。
電子可從鐵磁性金屬以各種方式特別是通過溝道結注入。使用鐵磁金屬所進行的實驗表明，由這種金屬通過溝道結發(fā)射的電子被強烈旋轉極化。
這樣，第一緩沖層111最好由絕緣材料諸如二氧化硅或氧化鋁制成。
其呈現(xiàn)的厚度足夠薄，一個納米到幾個納米，以致第一磁性層112與第一區(qū)101之間的導電由溝道效應決定。
這樣第一區(qū)101，第一緩沖層111和第一磁性層112的疊置構成一個溝道結。
為了使這一溝道結能夠趨向被加偏壓，第一磁化單元有一個偏壓電極113與第一區(qū)101阻性接觸。施加量級為幾個伏特的相對低的電壓，足以使接近與第一緩沖層111的界面的半導體101中的帶(band)變直。這時電子一定能夠被注入到這一半導體的導電帶。
此外，第二連接單元120的作用是作為旋轉極化電子的檢測極。該單元置于第二區(qū)102上，其包括最好由第二緩沖層121形成的與第二區(qū)102接觸的一個第二磁化模塊，以及置于所述第二緩沖層上的第二磁性層122。
以上提及，一個溝道結明顯增加了極化電子被注入的效率。這種注入還使得能夠以類似的方式改進這種極化電子檢測，因為通過該結進入鐵磁性材料的電子的概率強烈依賴于其旋轉的方向。
這樣，第二緩沖層121最好由絕緣材料制成，以使第二溝道結由包括第二區(qū)102，第二緩沖層121及第二磁性層122的疊置構成。
為了改進檢測的旋轉選擇性，最好使第二偏壓電極123處于與第二區(qū)102阻性接觸。通過例子，第二磁性層122與第二偏置電極之間電位差約為幾個伏特。
由第一連接單元110注入用于向第二連接單元發(fā)送的電流是旋轉極化的。換言之，其由大部分具有單一旋轉類型即或者“上”旋或者“下”旋的電子構成。電流被極化的程度由在與緩沖層的界面處的磁性材料帶結構決定。旋轉極化取決于鐵磁性金屬磁化的方向。注入的電流I具有兩個分量G+和G-，分別表示上旋和下旋電子電流的貢獻。
在第二連接單元中，注入的電流被再分為由第二磁性層122拾取的檢測電流，以及由第二偏壓電極123拾取的漏電流。檢測電流和漏電流與兩個磁化模塊的相對磁化相關。
當兩個模塊的磁化方向平行和反向平行時的檢測電流分別記為ip和iap。類似地，當兩個模塊的磁化分別平行和反向平行時的漏電流記為jp和jap。
上旋和下旋電子將傳送到第二磁性層的概率由系數(shù)α+和α-刻劃，朝向阻性接觸行進的概率由系數(shù)β刻劃，其與旋轉極化無關。
在平行配置中，各電流與分別有上旋和下旋的電子的濃度n+和n-相關如下I＝G++G-；ip＝α+n++α-n-；jp＝β(n++n-)在穩(wěn)定的條件下，并仍然對于注入極和檢測極相對磁化的平行配置，我們有
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-]]>當注入極與檢測極的磁化為反向平行配置時，被檢測的電流與平行配置比較而被修改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))]]>使用以下符號量化被注入的電流、檢測電流、及被檢測的電流的不對稱性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]]>刻劃檢測極靈敏度的量是Δi/i，這是對于兩種磁化配置的檢測電流的相對變化
Δii=ΔGG×2βΔα2[α2-(Δα)2]+2βα=ΔGGΔααβα[1-(Δαα)2+βα]]]>假設(Δα)2顯著小于α2，則獲得以下關系Δii=ΔGG×Δαα×βα+β]]>ΔG/G刻劃被注入的電子的旋轉極化。
Δα/α刻劃檢測極的傳送各向異性。
對于鐵和鈷的合金比率ΔG/G和Δα/α等于十分之幾，大約為0.4。
這樣靈敏度極限僅與鐵磁結構的性質有關。當α＜＜β或甚至i＜＜j時達到這一極限。這樣檢測極呈現(xiàn)弱得多的電流(與注入的電流比較)，但對半導體中的旋轉極化有最大的靈敏度。對于表示被注入電流10％的被檢測電流，檢測極的靈敏度將等于極限靈敏度的90％，這由所涉及的鐵磁材料給出。
使用術語“集電極”指示兩個磁化模塊之間存在的空間，集電極包含當注入電流為零時沒有旋轉極化的電子的非負濃度。隨著越來越多的旋轉極化電子被注入，這些電子逐漸代替非極化的電子。在穩(wěn)定條件下，旋轉極化分布P在集電極建立，有以下形式p(x)＝p(O)exp(-x/Ls)其中x是電子與半導體結103之間的距離，Ls是旋轉擴散長度。
Ls=Dτs]]>其中D是電子擴散系數(shù)，τs是旋轉松弛時間。
這樣兩個磁化模塊之間的距離d最好小于擴散Ls，雖然d可以大于擴散長度Ls，例如兩倍Ls，到檢測極靈敏度毀損。
在環(huán)境溫度的硅中，載流子擴散系數(shù)和旋轉松弛時間足夠高，使得電子保持它們在幾微米擴散長度上的旋轉。通過電子順磁性共振(EPR)技術的測量的導電電子的旋轉松弛時間為10-8秒鐘的量級。這對于Ls導致一個值，即擴散長度，這是幾個微米的量級。由于距離d小于Ls，這樣旋轉松弛是可以忽略的現(xiàn)象，且旋轉成為對每一電子特定的性質。
本發(fā)明的存儲器可具體如下制造。該方法直到接觸部分都是傳統(tǒng)的CMOS制造方法。在打開接觸或在填充與金屬的接觸之后，引入附加的步驟。絕緣沉積到幾個微米的厚度；這一絕緣可以是二氧化硅，氧化鋁，或任何其它已知的電介質。此后，沉積鐵磁材料，例如鈷與鐵的合金。施加到該材料上的兩個約束是具有與電介質尖銳的界面，同時在界面保持高的電子極化。沉積的磁性材料厚度可在幾十到幾百納米的范圍。此后，沉積傳統(tǒng)的金屬諸如銅或鋁，或可提供良好電導率的任何其它材料。然后，電路以機械方式和化學方式拋光，以便在注入和檢測區(qū)只留下磁性材料。然后該方法返回傳統(tǒng)的途徑。
該存儲器的寫入和刪除，是使用使第一和第二磁性層112或122的磁化反向的磁場。因為通過檢測極的電流依賴于注入極與檢測極的磁化相對方向，單元的磁狀態(tài)從通過檢測極的電流讀取。如在先有技術中，存儲器可使電流通過兩個被絕緣的橫穿被磁化的磁性層的金屬導體被寫入。
當飽和電流通過兩個導體被傳送時，在它們交叉處產生的磁場足以引起磁化結構從平行狀態(tài)向反平行狀態(tài)。選擇飽和電流，使得組合的磁場超過鐵磁金屬的臨界磁場，該磁場對于大部分通過其磁各向異性確定。此外，如果飽和電流只施加到兩個導體之一，則所產生的磁場不足以改變磁化。最后，導體的排布使得由飽和電流產生的磁場是很局限的。這一磁場低于改變其它位于接近兩個導體交叉處的磁性元件的磁化所需的磁場。
這時磁化的兩個可能的方向定義了存儲器兩個可能的邏輯狀態(tài)(通常寫為0和1)。
當然，上述類型的多個單個或單元存儲器可被組合以構成存儲器組件。
單元的結構使其能夠與單個的元件諸如晶體管，二極管或電容器集成。這些組件用來操縱通過各個單元的讀電流，這樣使其能夠提供具有隨機存取的存儲器組件(RAM)。
當前，所有非易失存儲器(EEPROM，F(xiàn)LASH，F(xiàn)eRAM，MRAM)使用非標準的制造方法。制造需要添加四到五層的掩模，這造成大約20％的額外成本。
本發(fā)明中，能夠使用傳統(tǒng)的CMOS方法制造非易失存儲器，而無須明顯地增加各級掩模。此外，與FLASH存儲器比較，本發(fā)明的存儲器以低電壓操作，且不需要泵送電荷。這對于移動應用是一個決定性的優(yōu)點。
本發(fā)明特別適用于所謂芯片上系統(tǒng)(SOC)技術。SOC技術在單個芯片上集成所有的組件微型控制器，SRAM和DRAM存儲器，專用邏輯，MEMS，化學傳感器，及自然非易失存儲器。這使得必須有盡可能標準的制造方法。
上述本發(fā)明的實施例是就其具體的性質選擇的。然而不能窮舉出由本發(fā)明涵蓋的所有實施例。特別地，在不超出本發(fā)明范圍之下，任何所述裝置可由等價的裝置代替。
權利要求
1.一種旋轉檢測磁性存儲器，排布在由兩個相鄰的區(qū)形成的半導體結103上，這兩個區(qū)即分別呈現(xiàn)第一型和第二型電導率的第一區(qū)101和第二區(qū)102，并包括配置在所述結103的兩側的第一和第二連接單元110和120，每一個單元提供有磁化模塊111-112，121-122，該存儲器的特征在于，至少一個單元除了所述磁化模塊之外包含偏壓電極113，123。
2.根據權利要求1的存儲器，其特征在于，所述磁化模塊111-112之一與所述結相鄰。
3.根據權利要求1或2的存儲器，其特征在于，所述磁化模塊至少之一包含緩沖層111，與所述區(qū)101接觸，磁性層102置于所述緩沖層上。
4.根據權利要求3的存儲器，其特征在于，所述緩沖層111由絕緣材料制成。
5.根據權利要求4的存儲器，其特征在于，所述緩沖層111的厚度使得能夠通過所述磁化層與所述區(qū)之間的溝道效應發(fā)生傳導。
6.根據任何以上權利要求的存儲器，其特征在于，兩個磁化模塊111-112，121-122之間的距離小于旋轉擴散長度的兩倍。
7.根據以上任意一項權利要求的存儲器，其特征在于，所述第一區(qū)101呈現(xiàn)p-型導電性。
全文摘要
本發(fā)明涉及配置在半導體結(103)上由2個相鄰區(qū)形成的旋轉檢測磁性存儲器，第一個(101)和第二個(102)區(qū)具有分別為第一和第二類型的電導率；所述存儲器包括配置在所述結(103)側面的第一(110)和第二(120)連接單元，每一個單元裝有磁化的模塊(111－112，121－122)。至少一個所述單元包括在磁化模塊頂部的極化電極(113，123)。
文檔編號H01L29/66GK1745430SQ200380109262
公開日2006年3月8日 申請日期2003年12月22日 優(yōu)先權日2002年12月27日
發(fā)明者維亞謝克拉弗·薩法羅夫 申請人:地中海大學, 國家科研中心