一种磁性存储器的数据写入方法技术

本发明专利技术一种磁性存储器的数据写入方法，在一条重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜上制造多个磁隧道结。每个磁隧道结代表一个存储位元。磁隧道结从下到上由第一铁磁金属，第一氧化物，第二铁磁金属，第一合成反铁磁层和第X顶端电极共五层构成，其中X的值为磁隧道结代表的位元编号；重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极。本发明专利技术采用自旋转移矩和自旋轨道矩相结合的方式实现数据写入，需要将两条电流分别同时施加于磁隧道结和重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜。仅用其中任何一条电流都无法完成数据写入。本发明专利技术能够提高磁性存储器的电路集成度，降低写入功耗，有利于减少工艺的复杂度和制造成本。

Data writing method for magnetic memory

The invention relates to a data writing method for magnetic memory, in which a plurality of magnetic tunnel junctions are made on a heavy metal strip film or an antiferromagnetic strip film. Each magnetic tunnel junction represents a storage bit. The magnetic tunnel junction consists of five layers of the first ferromagnetic metal, the first oxide, the second ferromagnetic metal, the first synthetic antiferromagnetic layer and the top X electrode, where the value of X is the bit number represented by the magnetic tunnel junction, and the two ends of the heavy metal strip film or the antiferromagnetic strip film are respectively plated with the first end electrode and the second end. The electrode. The invention adopts the method of combining the spin shift moment and the spin track moment to realize the data writing, and two currents need to be applied simultaneously to the magnetic tunnel junction and the heavy metal strip film or the antiferromagnetic strip film respectively. Only one of them can be used to write data. The invention can improve the circuit integration of the magnetic memory, reduce the writing power consumption, and is beneficial to reducing the process complexity and manufacturing cost.

【技术实现步骤摘要】
一种磁性存储器的数据写入方法
本专利技术涉及一种磁性存储器的数据写入方法，属于非易失性存储和逻辑

技术介绍
新兴的非易失性存储技术是解决深亚微米下集成电路的高静态功耗问题的有效方案之一。其中，基于磁隧道结(MagneticTunnelJunction,MTJ)的磁性随机访问存储器(MagneticRandomAccessMemory,MRAM)因其具有高速读写、低写入电流、几乎无限的写入次数和良好的工艺兼容性等优势而有望成为下一代通用非易失性存储器。长期以来，写入机制一直是限制MRAM发展的主要技术瓶颈。早期的MRAM利用磁场实现数据写入，然而，为产生合适大小的磁场，通常需要毫安级的写入电流，功耗较高。而且，随着存储单元MTJ的尺寸缩小，磁场写入方式所需的电流难以相应地减小，不利于高密度MRAM的实现。因此，纯电学写入方式逐渐被新型的MRAM所采用。目前，MRAM的主流电学写入方式包括自旋转移矩(SpinTransferTorque,STT)和自旋轨道矩(SpinOrbitTorque,SOT)两种。其中，STT-MRAM已逐渐实现商用化，SOT-MRAM仍处于学术研究阶段。这两种写入方式各有优劣，均难以成为完美通用的解决方案。STT-MRAM的写入操作只需一个双向电流，但是写入电流经过氧化物势垒层，容易造成器件击穿，而且，写入电流与读取电流共用同一路径，读写性能互相影响。此外，STT-MRAM的写入过程主要靠热波动激发，需要较长的初始延迟(Incubationdelay)，写入速度受到限制。SOT-MRAM可实现读写路径彼此分离，减小了势垒击穿的风险，并且有利于读写性能分别独立优化。然而，SOT-MRAM的存储单元具有三个端口，通常需要配备两个访问控制晶体管，严重限制了存储密度。
技术实现思路
一、专利技术目的：针对上述背景中提到的磁性随机存取存储器写入方式所面临的问题，尤其是自旋转移矩和自旋轨道矩在器件可靠性、写入功耗和存储密度等方面的弊端，本专利技术提出了一种新型的磁性存储器的数据写入方法。它结合自旋转移矩和自旋轨道矩的优点，解决上述弊端，优化存储器的性能。二、技术方案：本专利技术的技术方案是，一种磁性存储器的数据写入方法，其适用于磁性存储器件，该磁性存储器件具体包括：在一条重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜上制造一个或多个磁隧道结，每个磁隧道结代表一个存储位元，其数据状态通过磁隧道结的电阻值来体现。该重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极。该磁隧道结从下到上由第一铁磁金属，第一氧化物，第二铁磁金属，第一合成反铁磁层和第X顶端电极共五层构成，其中X的值为磁隧道结所代表的存储位元编号。磁隧道结的电阻值取决于第一铁磁金属和第二铁磁金属的磁化方向。如果第一铁磁金属与第二铁磁金属的磁化方向一致，则磁隧道结的电阻值较小，称此时的磁隧道结处于低阻态。反之，若二者方向相反，则磁隧道结的电阻值较大，磁隧道结处于高阻态。作为优选，第二铁磁金属的磁化方向固定不变，第一铁磁金属的磁化方向能够通过写入操作被改变。本专利技术所述的磁性存储器的数据写入方法，依靠自旋轨道矩和自旋转移矩两种效应。其中自旋轨道矩通过在重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜施加电流而产生，自旋转移矩通过在磁隧道结施加电流而产生。以第X磁隧道结的写入过程为例，本专利技术所述的磁性存储器的数据写入方法的操作流程可按照时间顺序分为如下四步：第一步在第一底端电极和第二底端电极之间施加电流，称为自旋轨道矩写入电流，所产生的自旋轨道矩将对所有磁隧道结的第一铁磁金属的磁化状态形成扰动，但不足以使其发生磁化翻转。第二步根据待写入的数据值在第一底端电极和第X顶端电极之间或者第X顶端电极和第二底端电极之间施加写入电流，称为自旋转移矩写入电流，所产生的自旋转移矩将引起第X磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向的改变或不变，从而实现特定数据值的写入。所写入的数据状态取决于自旋转移矩写入电流的方向。第三步将自旋轨道矩写入电流撤除，仅存的自旋转移矩写入电流继续完成并保证可靠的写入操作。第四步将自旋转移矩写入电流撤除，第X磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向被改变或不变，第X磁隧道结的电阻值相应地被改变或不变，其他磁隧道结的电阻值不变，写入操作结束。由以上流程可以看出，本专利技术所述的磁性存储器的数据写入方法，需要使用两个电流完成一次完整的写入操作。值得强调的是，上述两个电流(自旋轨道矩写入电流及自旋转移矩写入电流)的大小必须均小于各自的开关阈值。因此，如果有且仅有其中一个电流被使用，磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向只会产生微小的扰动，但不会被翻转，磁隧道结的电阻值也不会发生改变。如果要改变某个磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向，必须同时使用上述两个电流，进而完成磁隧道结的数据写入过程。三、优点及功效：本专利技术提出了一种磁性存储器的数据写入方法，相比于标准的自旋转移矩和自旋轨道矩写入方式，有以下优势：本专利技术将多个磁隧道结制造于同一条重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜之上，与采用三端口磁隧道结的自旋轨道矩磁性存储器相比，减小了访问控制晶体管的数量，有利于提高集成度。本专利技术所述方案中，用于产生自旋转移矩的电流值远小于标准自旋转移矩磁存储器所使用的电流值，其原因在于自旋轨道矩的辅助效应。因此，本专利技术所述方案中，流经磁隧道结的电流显著减小，势垒击穿的风险得以降低，有助于提高器件的可靠性。本专利技术所述方案的数据写入速度比标准的自旋转移矩写入方式更高，可归因于初始延迟的消除。本专利技术所述方案中，自旋轨道矩对磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向形成扰动，因此，自旋转移矩效应更强，磁化方向能够快速翻转，无需初始延迟。本专利技术所述方案中，写入电流容易控制，只需保证所需的两条电流在时间上有足够的重叠即可，对电流脉冲的上升时间、下降时间以及接续过程等均无严格的要求。【附图说明】图1为本专利技术所使用的一种器件结构示意图。图2为本专利技术所使用的一种器件结构实施例示意图(以圆形磁隧道结为例)。图3为本专利技术一种磁性存储器的数据写入方法示意图。图4为本专利技术一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述只在重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜通入电流的情形。图5为图4实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。图6为本专利技术一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述磁隧道结和部分重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜通入电流的情形。图7为图6实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。图8为本专利技术一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述磁隧道结的低阻态写入过程。图9-1和图9-2为图8实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。其中，图9-1对应于磁隧道结初始态为高阻态的情形，图9-2对应于磁隧道结初始态为低阻态的情形。图10为本专利技术一种磁性存储器的数据写入方法实施例示意图，描述磁隧道结的高阻态写入过程。图11-1和图11-2为图10实施例所对应的信号波形图与磁隧道结电阻态变化示意图。其中，图11-1对应于磁隧道结初始态为低阻态的情形，图11-2对应于磁隧道结初始态为高阻态的情形。图1～11中的参数定义为：1重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜2第一底端电极3第二底端电极4第一铁磁金属5第一氧化物6第二铁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性存储器的数据写入方法，适用于磁性存储器件，该磁性存储器件包括：在一条重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜上制造一个或多个磁隧道结，每个磁隧道结代表一个存储位元；该重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极；该磁隧道结从下到上由第一铁磁金属，第一氧化物，第二铁磁金属，第一合成反铁磁层和第X顶端电极共五层构成，其中X的值为磁隧道结所代表的存储位元编号；所述的磁性存储器的数据写入方法，依靠自旋轨道矩和自旋转移矩两种效应，具体包括如下步骤：第一步，在第一底端电极和第二底端电极之间施加电流，称为自旋轨道矩写入电流，所产生的自旋轨道矩将对所有磁隧道结的第一铁磁金属的磁化状态形成扰动，但不足以使其发生磁化翻转；第二步，根据待写入的数据值在第一底端电极和第X顶端电极之间或者第X顶端电极和第二底端电极之间施加写入电流，称为自旋转移矩写入电流，所产生的自旋转移矩将引起第X磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向的改变或不变，从而实现特定数据值的写入；所写入的数据状态取决于自旋转移矩写入电流的方向；第三步，将自旋轨道矩写入电流撤除，仅存的自旋转移矩写入电流继续完成并保证可靠的写入操作；第四步，将自旋转移矩写入电流撤除，第X磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向被改变或不变，第X磁隧道结的电阻值相应地被改变或不变，其他磁隧道结的电阻值不变，写入操作结束。...

【技术特征摘要】
1.一种磁性存储器的数据写入方法，适用于磁性存储器件，该磁性存储器件包括：在一条重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜上制造一个或多个磁隧道结，每个磁隧道结代表一个存储位元；该重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极；该磁隧道结从下到上由第一铁磁金属，第一氧化物，第二铁磁金属，第一合成反铁磁层和第X顶端电极共五层构成，其中X的值为磁隧道结所代表的存储位元编号；所述的磁性存储器的数据写入方法，依靠自旋轨道矩和自旋转移矩两种效应，具体包括如下步骤：第一步，在第一底端电极和第二底端电极之间施加电流，称为自旋轨道矩写入电流，所产生的自旋轨道矩将对所有磁隧道结的第一铁磁金属的磁化状态形成扰动，但不足以使其发生磁化翻转；第二步，根据待写入的数据值在第一底端电极和第X顶端电极之间或者第X顶端电极和第二底端电极之间施加写入电流，称为自旋转移矩写入电流，所产生的自旋转移矩将引起第X磁隧道结的第一铁磁金属的磁化方向的改变或不变，从而实现特定数据值的写入；所写入的数据状态取决于自旋转移矩写...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵巍胜，王昭昊，王梦醒，蔡文龙，
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