[發(fā)明專利]一種存儲裝置及其存儲方法

在審

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• 申請日: 2015-09-14
• 公開（公告）號: CN105280806A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發(fā)明（設計）人: 程曉敏;劉蘇皓;關夏威;黃婷;王升;繆向水
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L43/02
• 分類號: H01L43/02;H01L43/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春

技術領域

本發(fā)明屬于自旋電子器件技術領域，更具體地，涉及一種存儲裝置及其存儲方法。

背景技術

傳統(tǒng)的非易失性信息存儲器件的示例是硬盤驅動器(HDD)和非易失性隨機存取存儲器(RAM)。傳統(tǒng)的HDD使用轉動部件來存儲信息，但是由于轉動部件會隨著時間而磨損，增加了運行失敗的可能性，進而會降低傳統(tǒng)HDD的可靠性。傳統(tǒng)的非易失性RAM的示例是閃存，但是傳統(tǒng)的閃存具有相對慢的讀取和寫入速度，相對短的使用壽命和相對小的存儲容量，同時閃存的制造成本也相對較高。

磁性隨機存取存儲器(MagneticRandomAccessMemory,MRAM)是一種非揮發(fā)性的存儲器，它擁有靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)的高速讀取寫入能力，以及動態(tài)隨機存儲器(DRAM)的高集成度，而且理論上可以實現(xiàn)無限次的重復寫入。MRAM的核心結構為磁隧道結(MagneticTunnelJunction，MTJ)，MTJ結構為鐵磁性金屬薄膜/非磁性薄膜/鐵磁性金屬薄膜組成的三明治結構，兩層鐵磁性金屬薄膜中，一層的磁化方向被釘扎住，不能改變，稱為釘扎層；另一層的磁化方向可以隨外場方向變化，為自由層。電子穿過磁隧道結絕緣層的幾率與兩磁性體的相對磁化方向有關。磁隧道結具有隧道磁阻效應：當上下兩層的磁化強度方向相同時，電子容易通過器件，呈低阻態(tài)；當上下兩層的磁化方向相反時，電子不容易通過器件，呈高阻態(tài)，若將高阻態(tài)作為存儲狀態(tài)“0”，那么低阻態(tài)就是存儲狀態(tài)“1”，這就是MRAM存儲的基本原理。

傳統(tǒng)的MRAM采用場致翻轉，但是寫入翻轉場隨著MRAM單個存儲單元尺寸的縮小而增大，隨著MRAM存儲密度的提高，這種寫入方式將會導致信息寫入能耗的大幅度增加。其次，傳統(tǒng)的場寫入方式的MRAM器件結構過于復雜、電流線產生的磁場不夠集中等因素也阻礙了傳統(tǒng)MRAM存儲密度的進一步提高。

1996年，Slonczewski和Berger通過理論計算預測出了自旋力矩轉移(Spin-Transfer-Torque,STT)效應，即當自旋極化電流流過納米尺寸的鐵磁體時，極化電流所攜帶的自旋角動量將轉移給鐵磁體，導致鐵磁體磁化不平衡，使之發(fā)生轉動、進動甚至使磁化方向反轉。這種效應被稱為自旋轉移磁化反轉效應。STT效應為MRAM提供了全新的寫入方式，即信息寫入時兩鐵磁層磁化的相對方向由通過存儲單元的電流方向決定，而不是由電流產生的磁場方向決定，其極化電流所產生的力矩的大小只和電流密度成正比，因此基于STT效應的MRAM(簡稱為STT-MAM)具有存儲單元尺寸越小，工作面積越小，操作電流越小，性能越優(yōu)越的優(yōu)點，這對于實現(xiàn)超高密度低功耗的信息存儲非常有利。

近年來，對于STT-MRAM的研究主要集中在如何降低其MTJ結構自由層的磁化翻轉臨界電流密度和實現(xiàn)低功耗方面。目前的研究所得到的STT效應誘導磁化反轉行為所需的臨界電流密度一般在10⁶～10⁷A/cm²量級，而如此高的寫入電流會擊穿MTJ中的絕緣層，最終破壞存儲單元。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種存儲裝置及其存儲方法，結合電流驅動磁疇壁移動和MTJ結構實現(xiàn)信息的存儲，能有效降低MTJ結構自由層磁化翻轉的臨界電流密度，對自旋電子學在基礎和應用方面的發(fā)展具有非常重要的意義。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種存儲裝置，其特征在于，包括第一磁性層、隔離層、第二磁性層、第三磁性層和第四磁性層；所述隔離層、所述第二磁性層和所述第三磁性層設置在所述第一磁性層上，所述第二磁性層和所述第三磁性層位于所述第一磁性層的兩端，所述隔離層位于所述第二磁性層和所述第三磁性層之間，所述第四磁性層設置在所述隔離層上；所述第二磁性層和所述第三磁性層將所述第一磁性層兩端的磁化方向釘扎，從而在所述第一磁性層的兩端形成第一被釘扎區(qū)和第二被釘扎區(qū)，將所述第一磁性層在所述第一被釘扎區(qū)和所述第二被釘扎區(qū)之間的部分稱為數(shù)據(jù)區(qū)，所述數(shù)據(jù)區(qū)與所述隔離層和所述第四磁性層形成磁隧道結，所述數(shù)據(jù)區(qū)作為所述磁隧道結的自由層，所述第四磁性層作為所述磁隧道結的釘扎層，所述第一被釘扎區(qū)的磁化方向與所述第四磁性層的磁化方向相同，所述第二被釘扎區(qū)的磁化方向與所述第四磁性層的磁化方向相反。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)區(qū)用于存儲數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，通過在所述第二磁性層和所述第三磁性層間連接電流源，利用自旋極化電流驅動磁疇壁移動，改變所述數(shù)據(jù)區(qū)的磁化方向，向所述數(shù)據(jù)區(qū)寫入數(shù)據(jù)。