一种磁性存储单元和数据写入方法技术

本发明专利技术的一种磁性存储单元和数据写入方法，包括在一条反铁磁金属条状薄膜上制造一个磁隧道结；反铁磁金属条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极；磁隧道结从下到上包括第一铁磁金属层，第一氧化物层，第二铁磁金属层，第一合成反铁磁层和顶端电极五层物质构成；所述磁隧道结具有垂直磁各向异性；所述磁隧道结至少具有两种电阻状态。本发明专利技术依靠电压调控磁各向异性和自旋轨道矩两种效应，其中，电压调控磁各向异性效应可通过在具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端电极施加一个偏置电压产生；自旋轨道矩效应可通过在反铁磁金属条状薄膜的两端施加电流而产生，数据写入过程中无需施加外磁场，优化磁性存储单元的数据写入性能。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性存储单元和数据写入方法
本专利技术涉及非易失性存储和逻辑
，具体涉及一种磁性存储单元和数据写入方法。
技术介绍
近年来，新兴非易失存储器受到了学术界和工业界的广泛重视，被认为是可以突破深亚微米下传统集成电路功耗瓶颈的关键技术之一。磁性随机访问存储器(MagneticRandomAccessMemory，MRAM)作为一种新兴非易失存储器，因其具有读写速度快、能耗低、寿命长和工艺兼容性好等优势，有望成为下一代通用存储器。磁隧道结(MagneticTunnelJunction,MTJ)是MRAM的基本存储单元，主要由两个铁磁层和夹在其中间的隧穿势垒层构成。其中一个铁磁层的磁化方向是固定的，被称作固定层；而另外一个铁磁层的磁化方向是可变的，被称作自由层。根据自由层和固定层的相对磁化方向，MTJ可呈现出两种不同的阻态，当两者的磁化方向相同时，MTJ呈现低阻态；反之，MTJ则呈现高阻态，进而可用于存储一比特数据信息。因此，MRAM可通过翻转自由层的磁化方向来实现数据信息的写入操作。MRAM的数据信息写入方式发展至今，经历了多次变革。第一代MRAM采用磁场来实现数据信息的写入。该写入方法的主要缺陷如下：(1)需要较高的写入电流，从而导致较高的写能耗；(2)写入电流不会随着工艺尺寸的减小而降低，从而限制了MTJ的可微缩性。第二代MRAM采用基于电流驱动产生的自旋转移矩(Spin-TransferTorque,STT)来实现数据信息的写入。该写入方法虽然能够解决上一代MRAM采用磁场进行数据信息写入的问题，但也存在一些缺陷：(1)数据写入过程需要经历一个孵化过程，从而导致较大的写入时延；(2)读写操作经过同一路径，容易造成读取干扰和隧穿势垒层击穿等问题；(3)写入电流较大，从而导致较大的写能耗。第三代MRAM采用基于电流驱动产生的自旋轨道矩(Spin-OrbitTorque,SOT)来实现数据信息的写入。SOT-MTJ是一个三端口器件，主要由一个MTJ和一个与其自由层相连接的重金属层(HeavyMetal，HM)构成。其中，HM被用作写电流通路。与STT-MTJ相比，SOT-MTJ具有以下优点：(1)具有较大的自旋霍尔角，可实现较小的写能耗和写时延；(2)读写路径分离，不仅可降低隧穿势垒层击穿的风险，而且便于对读写性能进行独立优化。但是，对于采用具有垂直磁各向异性(Perpendicularmagneticanisotropy,PMA)的MTJ，SOT仍需一个面内方向的外磁场进行辅助才能对其自由层磁化状态实现确定性翻转，这不仅会增加MRAM电路设计的复杂度，导致额外的面积和功耗开销，而且极大地限制了MRAM的可扩展性和实用性。幸运的是，最近的实验测试结果表明，在具有强自旋轨道耦合效应的反铁磁金属(AntiferromagneticMetal，AFM)薄膜和铁磁薄膜界面，不仅能够产生较强的SOT效应，而且能够同时产生一个面内方向的交换偏置场。因此，为避免使用外磁场，可用AFM代替SOT-PMA-MTJ中的HM。但采用AFM的SOT-PMA-MTJ在数据信息写入方面仍存在一些问题：(1)SOT写入电流仍比较大，从而导致较大的写能耗；(2)由于AFM产生的交换偏置场比较小，在施加SOT写入电流时，PMA-MTJ自由层的磁化状态翻转是不完整的，从而会导致较高的数据信息写错误率。因此，如何实现低能耗、高可靠数据信息写入操作是当前采用AFM的SOT-PMA-MTJ面临的主要挑战之一。最近的实验测试结果表明，在具有强自旋轨道耦合效应的反铁磁金属(AntiferromagneticMetal，AFM)薄膜和铁磁金属薄膜界面，不仅能够产生较强的自旋轨道矩(Spin-OrbitTorque，SOT)效应，而且能够同时产生一个面内方向的交换偏置场。因此，通过采用AFM代替重金属，具有垂直磁各向异性(PerpendicularMagneticAnisotropy，PMA)的磁隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)利用SOT效应实现数据信息写入时不再需要外磁场辅助。但采用AFM的SOT-PMA-MTJ在数据信息写入方面仍存在一些问题：(1)SOT写入电流比较大，从而导致较大的写能耗；(2)AFM薄膜和铁磁金属薄膜界面产生的交换偏置场比较小，从而导致PMA-MTJ的自由层的磁化状态翻转是不完全的，进而导致较高的数据信息写错误率。通过采用反铁磁金属代替重金属的方式，具有垂直磁各向异性的磁隧道结利用自旋轨道矩效应实现数据信息写入时不再需要外磁场辅助。但该磁性存储单元在数据信息写入方面仍存在一些问题：(1)自旋轨道矩写入电流比较大，从而会导致较大的写能耗；(2)当采用自旋轨道矩效应进行数据信息写入时，由于反铁磁金属薄膜与铁磁金属薄膜界面产生的交换偏置场比较小，具有垂直磁各向异性的磁隧道结的自由层的磁化状态翻转是不完全的，从而会导致较高的数据信息写入错误率。针对上述提到的磁性存储单元在数据信息写入方面的问题，尤其是自旋轨道矩在磁性存储单元的写能耗及可靠性等方面的弊端，本专利技术的目的是提出一种磁性存储单元和数据写入方法。
技术实现思路
本专利技术提出的一种磁性存储单元和数据写入方法，可解决采用AFM的SOT-PMA-MTJ如何实现低能耗、高可靠数据信息写入操作的技术问题。本专利技术通过结合自旋轨道矩效应和电压调控磁各向异性效应的方式，解决上述弊端，优化磁性存储单元的数据写入性能。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种磁性存储单元包括：在一条反铁磁金属条状薄膜上制造一个具有垂直磁各向异性的磁隧道结；该反铁磁金属条状薄膜的两端分别镀有第一底端电极和第二底端电极；该具有垂直磁各向异性的磁隧道结从下到上由第一铁磁金属层，第一氧化物层，第二铁磁金属层，第一合成反铁磁层和顶端电极共五层物质构成。具有垂直磁各向异性的磁隧道结的电阻值取决于第一铁磁金属层和第二铁磁金属层的相对磁化方向。如果第一铁磁金属层与第二铁磁金属层的磁化方向一致，则具有垂直磁各向异性的磁隧道结的电阻值较小，称此时的具有垂直磁各向异性的磁隧道结处于低阻态。反之，若二者方向相反，则具有垂直磁各向异性的磁隧道结的电阻值较大，称此时的具有垂直磁各向异性的磁隧道结处于高阻态。作为优先，第二铁磁金属层的磁化方向固定不变，第一铁磁金属层的磁化方向可通过数据写入操作被改变。同时，本专利技术还公开一种磁性存储单元数据写入方法，依靠电压调控磁各向异性和自旋轨道矩两种效应。其中，电压调控磁各向异性效应可通过在具有垂直磁各向异性的磁隧道结顶端电极施加一个偏置电压产生；自旋轨道矩效应可通过在反铁磁金属条状薄膜的两端施加电流而产生。数据写入过程中无需施加外磁场。本专利技术所述的一种磁性存储单元的数据写入方法的操作流程可按照时间顺序分为如下三步：第一步：在具有垂直磁各向异性的磁隧道结的顶端电极施加一个正向偏置电压，所产生的电压调控磁各向异性效应可降低具有垂直磁各向异性的磁隧道结的两个不同阻态之间的能量势垒；同时，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性存储单元，其特征在于：/n包括在一条反铁磁金属条状薄膜(1)上制造一个磁隧道结(9)；/n所述反铁磁金属条状薄膜(1)的两端分别镀有第一底端电极(2)和第二底端电极(3)；所述磁隧道结(9)从下到上包括第一铁磁金属层(4)，第一氧化物层(5)，第二铁磁金属层(6)，第一合成反铁磁层(7)和顶端电极(8)五层物质构成；/n所述磁隧道结(9)具有垂直磁各向异性；/n所述磁隧道结(9)至少具有两种电阻状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁性存储单元，其特征在于：
包括在一条反铁磁金属条状薄膜(1)上制造一个磁隧道结(9)；
所述反铁磁金属条状薄膜(1)的两端分别镀有第一底端电极(2)和第二底端电极(3)；所述磁隧道结(9)从下到上包括第一铁磁金属层(4)，第一氧化物层(5)，第二铁磁金属层(6)，第一合成反铁磁层(7)和顶端电极(8)五层物质构成；
所述磁隧道结(9)具有垂直磁各向异性；
所述磁隧道结(9)至少具有两种电阻状态。


2.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述反铁磁金属条状薄膜(1)的厚度为0-20nm。


3.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述反铁磁金属条状薄膜(1)为长方形，其顶面积大于具有垂直磁各向异性的磁隧道结的底面积，磁隧道结的底面形状完全内嵌于反铁磁金属条状薄膜的顶面形状之中。


4.根据权利要求1所述的磁性存储单元的磁性存储单元，其特征在于：所述磁隧道结(9)的形状为正方形、长方形、圆形或椭圆形。


5.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述第一铁磁金属层(4)的厚度为0-3nm，第一氧化物层(5)的厚度为0-2nm，第二铁磁金属层(6)的厚度为0-3nm，第一合成反铁磁层(7)的厚度为0-20nm，第一底端电极(2)和第二底端电极(3)的厚度与反铁磁金属条状薄膜(1)厚度相同，顶端电极(8)的厚度为10-200nm。


6.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述反铁磁金属条状薄膜(1)的组分为化合物铱锰IrMn、铂锰PtMn的一种。


7.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述第一底端电极(2)、第二底端电极(3)、顶端电极(8)的材料为钽Ta、铝Al、铜Cu中的一种。


8.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：所述第一铁磁金属层(4)的材料为混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe的一种。


9.根据权利要求1所述的磁性存储单元，其特征在于：
所述第一氧化物(5)为氧化镁MgO或氧化铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。

【专利技术属性】
技术研发人员：张德明，张凯丽，王佑，赵巍胜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学合肥创新研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34