一种可编程化的纳米探针存储器、其制备和使用方法技术

本发明专利技术属于亚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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种可编程化的纳米探针存储器、其制备和使用方法
本专利技术属于亚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。
技术介绍
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(MagneticTunnelJunctions，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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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-ElectromechanicalSystem,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(SpinTransferTorque，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，按照本专利技术的一个方面，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；该存储器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；所述半磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层和隧穿绝缘层的一部分，所述半磁性隧道结探针结构的介质端包括隧穿绝缘层的另一部分和第二磁性层；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；所述一体化全磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层、隧穿绝缘层和第二磁性层，所述一体化全磁性隧道结探针结构的介质端用作该隧道结探针结构的电极；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；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。优选地，所述存储器单元中还设置有钉扎层，所述钉扎层用于钉扎所述第一磁性层或第二磁性层的磁化方向。优选地，所述探针端包括探针基座和设置于探针基座上的第一磁性层和隧穿绝缘层；所述探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，所述探针针尖区在水平方向上的一侧与所述探针把柄区接触，所述探针针尖区在竖直方向上的一个端面上设置有所述第一磁性层和隧穿绝缘层；其中所述探针针尖区的竖直方向即为所述探针针尖区的针尖所在的方向，且该针尖的尖端朝下；所述探针针尖区在竖直方向上的截面形状为倒梯形，即该梯形中较长的底边位于上侧，较短的底边位于下侧，且所述第一磁性层和隧穿绝缘层设置于该梯形较短的底边的一侧。优选地，所述探针把柄区包括托盘和悬梁臂。优选地，所述倒梯形的底边尺寸为纳米尺寸。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的存储器单元的制备方法，包括探针端的制备，所述探针端的制备包括如下步骤：先制备好探针基座，然后在探针基座的一端沉积所述第一磁性层和隧穿绝缘层；所述探针基座的制备包括如下步骤：(1)在原材料的顶部和底部分别制备保护膜，该保护膜为第一保护层材料，获得顶部和底部具有第一保护层的原材料；(2)分别对顶部和底部的第一保护层上涂覆光刻胶，然后经过曝光、显影，在顶部和底部的第一保护层上获得不同的图形；(3)根据步骤(2)在顶部和底部的第一保护层上获得的不同的图形，采用湿法刻蚀去除顶部和底部的部分第一保护层材料，裸露出部分原材料表面；(4)去除光刻胶，然后采用湿法刻蚀除去一定厚度的原材料，通过外观检查步骤，确定刻蚀终点，直至在顶部某处被刻蚀为针尖状；(5)湿法刻蚀去除顶部和底部剩余的第一保护层材料；(6)在顶部制备第二保护层材料，采用湿法刻蚀去除底部一定厚度的原材料，湿法刻蚀去除第二保护层材料，最终获得探针基座；所述探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，其中所述探针针尖区位于所述探针基座的一端，所述探针针尖区的针尖所在的方向垂直于所述探针把柄区所在的水平面，且该针尖的尖端朝下；所述探针针尖区的针尖的截面形状为倒梯形，即该梯形中较长的底边位于上侧，较短的底边位于下侧，且所述第一磁性层和隧穿绝缘层设置于该梯形较短的底边的一侧。优选地，所述的制备方法，还包括步骤：(7)在探针基座的表面沉积包裹金属导体材料，使得所述探针基座导电。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种基于所述的存储器单元的非易失性存储器，包括若干个所述的存储器单元。优选地，该存储器包括一个探针端和由若干个介质端构成的介质端阵列。优选地，该存储器包括由若干个探针端构成的探针端阵列和一个介质端。优选地，该存储器包括由若干个探针端构成的探针端阵列和由若干个介质端构成的介质端阵列。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的存储器的使用方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种存储器单元，其特征在于，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；/n该存储器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；/n所述半磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层和隧穿绝缘层的一部分，所述半磁性隧道结探针结构的介质端包括隧穿绝缘层的另一部分和第二磁性层；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；/n所述一体化全磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层、隧穿绝缘层和第二磁性层，所述一体化全磁性隧道结探针结构的介质端用作该隧道结探针结构的电极；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一种存储器单元，其特征在于，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；
该存储器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；
所述半磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层和隧穿绝缘层的一部分，所述半磁性隧道结探针结构的介质端包括隧穿绝缘层的另一部分和第二磁性层；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；
所述一体化全磁性隧道结探针结构的探针端包括第一磁性层、隧穿绝缘层和第二磁性层，所述一体化全磁性隧道结探针结构的介质端用作该隧道结探针结构的电极；所述第一磁性层和第二磁性层均具有垂直磁各向异性；
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。


2.如权利要求1所述的存储器单元，其特征在于，所述存储器单元中还设置有钉扎层，所述钉扎层用于钉扎所述第一磁性层或第二磁性层的磁化方向。


3.如权利要求1所述的存储器单元，其特征在于，所述探针端包括探针基座和设置于探针基座上的第一磁性层和隧穿绝缘层；
所述探针基座包括探针把柄区和探针针尖区，所述探针针尖区在水平方向上的一侧与所述探针把柄区接触，所述探针针尖区在竖直方向上的一个端面上设置有所述第一磁性层和隧穿绝缘层；其中所述探针针尖区的竖直方向即为所述探针针尖区的针尖所在的方向，且该针尖的尖端朝下；
所述探针针尖区在竖直方向上的截面形状为倒梯形，即该梯形中较长的底边位于上侧，较短的底边位于下侧，且所述第一磁性层和隧穿绝缘层设置于该梯形较短的底边的一侧；
优选地，所述倒梯形的底边尺寸为纳米尺寸。


4.如权利要求1至3任一项所述的存储器单元的制备方法，其特征在于，包括探针端的制备，所述探针端的制备包括如下步骤：先制备好探针基座，然后在探针基座的一端沉积所述第一磁性层和隧穿绝缘层；所述探针基座的制备包括如下步骤：
(1)在原材料的顶部和底部分别制备保护膜，该保护膜为第一保护层材料，获得顶部和底部具有第一保护层的原材料；
(2)分别对顶部和底部的...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪正敏，李若凡，游龙，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42