一种多级单元磁存储结构及其读写方法技术

本发明专利技术公开一种多级单元磁存储结构及其读写方法，该存储单元由下到上依次为垂直堆叠的强自旋轨道耦合材料、第一磁隧道结、第二磁隧道结、第三磁隧道结及第一电极，强自旋轨道耦合材料两端分别镀有第二电极和第三电极；第一磁隧道结的底面形状内含于强自旋轨道耦合材料上表面，第三磁隧道结的底面形状内含于第二磁隧道结上表面，第一磁隧道结上表面的形状、尺寸和第二磁隧道结的底面完全相同；第一磁隧道结的自由层与强自旋轨道耦合材料相接触；第二、三磁隧道结的自由层、参考层的相对摆放位置与第一磁隧道结相同。通过对单元结构改进并设计相应的读写方法，本发明专利技术在提高存储密度的同时，可减少级间干扰，简化写入步骤，优化器件的读取性能。

A Multilevel Unit Magnetic Storage Architecture and Its Reading and Writing Method

【技术实现步骤摘要】
一种多级单元磁存储结构及其读写方法
本专利技术属于自旋存储器
，尤其涉及一种多级单元磁存储结构及其读写方法，用于实现高密度存储。
技术介绍
基于电子自旋的磁性随机存储器(Magneticrandomaccessmemory,MRAM)，具有访问速度快，抗辐射性强以及非易失性等优势而被视为最具潜力的下一代存储器技术。MRAM存储单元的核心器件是磁隧道结(Magnetictunneljunction,MTJ)，由于受工艺和磁各向异性限制，目前MTJ占用面积较大，导致MRAM存储密度偏低。尽管近些年开始采用垂直磁各向异性MTJ构筑MRAM，提高了存储密度，也仅勉强达Gb容量的水准。相比之下，NAND闪存技术采用多级单元结构显著提高了存储容量。目前业界普遍采用在每个NAND闪存单元存放两比特(Multi-levelcell,MLC)或三比特数据(Triple-levelcell,TLC)的多级单元结构，并通过3D堆叠的方法，来获得更高的存储密度和更低的生产成本。TLC更是占据如今低端固态硬盘的主要市场。类似的多级单元结构也可用于MRAM中。目前学术界关于MTJ多级结构的设计主要有两种：一种是平行型设计，即不同尺寸的MTJ依次排列在同一参考层上；另一种是连续型设计，即各MTJ按大小顺序垂直堆叠。尽管平行型结构在能耗和器件性能方面要优于连续型，但连续型MTJ更易于制造且已有MLC结构被实验证实，因此受到更多研究关注。然而，对于多级单元磁存储结构而言，其设备性能并没有随存储密度的提升而倍增，原因是多级结构需要更复杂的写入步骤和读取电路。这一缺点在TLC结构中更为明显，在写入方面：级间存在写入干扰，在对较难写入的层级操作时，其他层级可能会被错误地写入，甚至存在击穿风险；写入过程中还存在许多无效、连带的改写，导致能量的浪费。在读取方面：相较于区分单比特两个存储状态，读取TLC的八个不同存储状态将遭受更低的区分度和可靠性；此外，所需参考阻值的产生方式也更加复杂，会占据大量片上空间。
技术实现思路
针对上述背景中提到的传统多级单元磁存储结构在堆叠到三比特时，读写性能进一步恶化的问题，本专利技术公开了一种多级单元磁存储结构及其读写方法。该结构克服了现有技术的不足，通过对单元结构的改进并设计相应的读写方法，可以减少级间干扰，简化写入步骤，并优化器件的读取性能。本专利技术的技术方案是：一种多级单元磁存储结构，该存储单元由下到上依次为垂直堆叠的强自旋轨道耦合材料、第一磁隧道结、第二磁隧道结、第三磁隧道结及第一电极，在强自旋轨道耦合材料两端分别镀有第二电极和第三电极；所述第一磁隧道结的底面形状内含于所述强自旋轨道耦合材料的上表面，所述第三磁隧道结的底面形状内含于所述第二磁隧道结的上表面，第一磁隧道结上表面的形状、尺寸和第二磁隧道结的底面完全相同；所述第一磁隧道结的自由层与所述强自旋轨道耦合材料相接触，可受自旋轨道耦合作用的影响；所述第二、三磁隧道结的自由层、参考层的相对摆放位置与所述第一磁隧道结相同。作为优选的，所述三个磁隧道结阻值R的大小关系具体满足：R3H+R2L+R1L＞R3L+R2H+R1H其中，脚标的数字1、2、3分别对应第一、二、三磁隧道结，H和L分别对应高、低阻值状态，即第三磁隧道结处于高阻值、第一磁隧道结和第二磁隧道结处于低阻值时的总阻值，应大于第三磁隧道结处于低阻值、第一磁隧道结和第二磁隧道结处于高阻值时的总阻值。所述强自旋轨道耦合材料具体为重金属、反铁磁材料或拓扑绝缘体材料；其中，所述的重金属包括铂Pt、钽Ta或钨W；所述的反铁磁材料包括化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn；所述的拓扑绝缘体材料包括化合物铋硒BiSe或铋锑BiSb；上述化合物中各个元素的配比含量可以不同。可选地，所述结构中磁隧道结形状的种类为长方形、圆形或椭圆形，第一、二磁隧道结的形状的种类相同，第三磁隧道结的形状与第一、二磁隧道结的形状的种类可以相同，亦或者不同；所述强自旋轨道耦合材料为长条状。根据所述的多级单元磁存储结构，一种多级单元磁存储结构的写入方法，具体包括如下步骤：S11、根据待写入的数据，直接将第一、二、三磁隧道结统一写成低阻值或高阻值状态；每个磁隧道结有高低阻值两种状态，可存储一比特数据，因此所述多级单元磁存储结构可存储三位数据；不失一般性，将低阻值状态定义为逻辑低电平，将高阻值状态定义为逻辑高电平；其中，若待写入的三位数据中间位为逻辑低电平，则将三个磁隧道结写为低阻值状态；若待写入的三位数据中间位为逻辑高电平，则将三个磁隧道结写为高阻值状态；S12、根据还需改变的数据，对磁隧道结进行相应的写入操作；具体包括：不改变任何磁隧道结的阻值状态、仅改变第一磁隧道结的阻值状态、仅改变第三磁隧道结的阻值状态、或同时改变第一磁隧道结和第三磁隧道结的阻值状态。根据所述的多级单元磁存储结构，一种多级单元磁存储结构的写入方法，具体包括如下步骤：S21、预先读取第二磁隧道结的阻值状态，若与待写入的数据相比，判定第二磁隧道结的阻值状态不需要改变，则进入步骤S22；若判定第二磁隧道结的阻值状态需要改变，则将第一、二、三磁隧道结统一写成低阻值或高阻值状态；每个磁隧道结有高低阻值两种状态，可存储一比特数据，因此所述多级单元磁存储结构可存储三位数据；不失一般性，将低阻值状态定义为逻辑低电平，将高阻值状态定义为逻辑高电平；其中，若待写入的三位数据中间位为逻辑低电平，且已判定第二磁隧道结的阻值状态需要改变，则将三个磁隧道结写为低阻值状态；若待写入的三位数据中间位为逻辑高电平，且已判定第二磁隧道结的阻值状态需要改变，则将三个磁隧道结写为高阻值状态；S22、根据还需改变的数据，对磁隧道结进行相应的写入操作；具体包括：不改变任何磁隧道结的阻值状态、仅改变第一磁隧道结的阻值状态、仅改变第三磁隧道结的阻值状态、或同时改变第一磁隧道结和第三磁隧道结的阻值状态。根据所述的多级单元磁存储结构，一种多级单元磁存储结构的读取方法，包括如下步骤：S31、将电流读取信号施加于所述存储结构的磁隧道结，获取所述存储结构产生的第一数据信号；S32、将自旋轨道耦合电流施加于所述存储结构的强自选轨道耦合材料，获取所述存储结构产生的第二数据信号；S33、根据第一数据信号、第二数据信号和外部参考信号之间的大小关系，并行输出三个磁隧道结的读取结果；S34、根据第一磁隧道结的读取结果，撤去自旋轨道耦合电流，并将第一磁隧道结恢复为读取前的状态。本专利技术所述的一种多级单元磁存储结构及其读写方法的优点是：(1)采用本专利技术的多级单元磁存储结构，在提高存储密度的同时，可以减少级间干扰，降低误写入和器件击穿发生的概率。(2)采用本专利技术的多级单元磁存储结构，可通过两步操作写入三比特的数据，简化了写入步骤，相较于传统结构，减少了无效写入的发生，从而降低了写入延时和功耗。(3)采用本专利技术的多级单元磁存储结构，尽管存储状态总数目会因完全相同的两个磁隧道结而减少，但在相应的读取方法下仍可读出三比特信息。此外，读取的可靠性和参考单元产生的方式得到优化。【附图说明】图1A、B为现有技术的连续型MLC结构及相应的TLC结构示意图。图2为本专利技术提出的一种多级单元磁存储结构示意图。图3A为本专利技术提出的一种多级单元磁存储结构的写本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述结构由下到上依次为垂直堆叠的强自旋轨道耦合材料、第一磁隧道结、第二磁隧道结、第三磁隧道结及第一电极，在强自旋轨道耦合材料两端分别镀有第二电极和第三电极；所述第一磁隧道结的底面形状内含于所述强自选轨道耦合材料的上表面，所述第三磁隧道结的底面形状内含于所述第二磁隧道结的上表面，第一磁隧道结上表面的形状、尺寸和第二磁隧道结的底面完全相同；所述第一磁隧道结的自由层与所述强自旋轨道耦合材料相接触，可受自旋轨道耦合作用的影响；所述第二、三磁隧道结的自由层、参考层的相对摆放位置与所述第一磁隧道结相同。

【技术特征摘要】
1.一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述结构由下到上依次为垂直堆叠的强自旋轨道耦合材料、第一磁隧道结、第二磁隧道结、第三磁隧道结及第一电极，在强自旋轨道耦合材料两端分别镀有第二电极和第三电极；所述第一磁隧道结的底面形状内含于所述强自选轨道耦合材料的上表面，所述第三磁隧道结的底面形状内含于所述第二磁隧道结的上表面，第一磁隧道结上表面的形状、尺寸和第二磁隧道结的底面完全相同；所述第一磁隧道结的自由层与所述强自旋轨道耦合材料相接触，可受自旋轨道耦合作用的影响；所述第二、三磁隧道结的自由层、参考层的相对摆放位置与所述第一磁隧道结相同。2.根据权利要求1所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述三个磁隧道结阻值R的大小关系具体满足：R3H+R2L+R1L＞R3L+R2H+R1H其中，脚标的数字1、2、3分别对应第一、二、三磁隧道结，H和L分别对应高、低阻值状态，即第三磁隧道结处于高阻值、第一磁隧道结和第二磁隧道结处于低阻值时的总阻值，应大于第三磁隧道结处于低阻值、第一磁隧道结和第二磁隧道结处于高阻值时的总阻值。3.根据权利要求1所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述强自旋轨道耦合材料具体为重金属或反铁磁材料或拓扑绝缘体材料。4.根据权利要求4所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述的重金属为铂Pt、钽Ta或钨W。5.根据权利要求4所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述的反铁磁材料为化合物铱锰IrMn或铂锰PtMn。6.根据权利要求4所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述的拓扑绝缘体材料为化合物铋硒BiSe或铋锑BiSb。7.根据权利要求1所述的一种多级单元磁存储结构，其特征在于：所述结构中磁隧道结形状的种类为长方形、圆形或椭圆形，第一、二磁隧道结的形状的种类相同，第三磁隧道结的形状与...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐岩松，王昭昊，吴比，赵巍胜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11