[發明專利]一種磁性存儲器的數據寫入方法

有效

• 申請號: 201810186489.4
• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN108538328B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 趙巍勝;王昭昊;王夢醒;蔡文龍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;G11C11/15
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發明一種磁性存儲器的數據寫入方法，在一條重金屬條狀薄膜或反鐵磁條狀薄膜上制造多個磁隧道結。每個磁隧道結代表一個存儲位元。磁隧道結從下到上由第一鐵磁金屬，第一氧化物，第二鐵磁金屬，第一合成反鐵磁層和第X頂端電極共五層構成，其中X的值為磁隧道結代表的位元編號；重金屬條狀薄膜或反鐵磁條狀薄膜的兩端分別鍍有第一底端電極和第二底端電極。本發明采用自旋轉移矩和自旋軌道矩相結合的方式實現數據寫入，需要將兩條電流分別同時施加于磁隧道結和重金屬條狀薄膜或反鐵磁條狀薄膜。僅用其中任何一條電流都無法完成數據寫入。本發明能夠提高磁性存儲器的電路集成度，降低寫入功耗，有利于減少工藝的復雜度和制造成本。

【技術領域】

本發明涉及一種磁性存儲器的數據寫入方法，屬于非易失性存儲和邏輯技術領域。

【背景技術】

新興的非易失性存儲技術是解決深亞微米下集成電路的高靜態功耗問題的有效方案之一。其中，基于磁隧道結(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的磁性隨機訪問存儲器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)因其具有高速讀寫、低寫入電流、幾乎無限的寫入次數和良好的工藝兼容性等優勢而有望成為下一代通用非易失性存儲器。長期以來，寫入機制一直是限制MRAM發展的主要技術瓶頸。早期的MRAM利用磁場實現數據寫入，然而，為產生合適大小的磁場，通常需要毫安級的寫入電流，功耗較高。而且，隨著存儲單元MTJ的尺寸縮小，磁場寫入方式所需的電流難以相應地減小，不利于高密度MRAM的實現。因此，純電學寫入方式逐漸被新型的MRAM所采用。

目前，MRAM的主流電學寫入方式包括自旋轉移矩(Spin Transfer Torque,STT)和自旋軌道矩(Spin Orbit Torque,SOT)兩種。其中，STT-MRAM已逐漸實現商用化，SOT-MRAM仍處于學術研究階段。這兩種寫入方式各有優劣，均難以成為完美通用的解決方案。STT-MRAM的寫入操作只需一個雙向電流，但是寫入電流經過氧化物勢壘層，容易造成器件擊穿，而且，寫入電流與讀取電流共用同一路徑，讀寫性能互相影響。此外，STT-MRAM的寫入過程主要靠熱波動激發，需要較長的初始延遲(Incubation delay)，寫入速度受到限制。SOT-MRAM可實現讀寫路徑彼此分離，減小了勢壘擊穿的風險，并且有利于讀寫性能分別獨立優化。然而，SOT-MRAM的存儲單元具有三個端口，通常需要配備兩個訪問控制晶體管，嚴重限制了存儲密度。

【發明內容】

一、發明目的：

針對上述背景中提到的磁性隨機存取存儲器寫入方式所面臨的問題，尤其是自旋轉移矩和自旋軌道矩在器件可靠性、寫入功耗和存儲密度等方面的弊端，本發明提出了一種新型的磁性存儲器的數據寫入方法。它結合自旋轉移矩和自旋軌道矩的優點，解決上述弊端，優化存儲器的性能。

二、技術方案：

本發明的技術方案是，一種磁性存儲器的數據寫入方法，其適用于磁性存儲器件，該磁性存儲器件具體包括：在一條重金屬條狀薄膜或反鐵磁條狀薄膜上制造一個或多個磁隧道結，每個磁隧道結代表一個存儲位元，其數據狀態通過磁隧道結的電阻值來體現。該重金屬條狀薄膜或反鐵磁條狀薄膜的兩端分別鍍有第一底端電極和第二底端電極。該磁隧道結從下到上由第一鐵磁金屬，第一氧化物，第二鐵磁金屬，第一合成反鐵磁層和第X頂端電極共五層構成，其中X的值為磁隧道結所代表的存儲位元編號。

磁隧道結的電阻值取決于第一鐵磁金屬和第二鐵磁金屬的磁化方向。如果第一鐵磁金屬與第二鐵磁金屬的磁化方向一致，則磁隧道結的電阻值較小，稱此時的磁隧道結處于低阻態。反之，若二者方向相反，則磁隧道結的電阻值較大，磁隧道結處于高阻態。

作為優選，第二鐵磁金屬的磁化方向固定不變，第一鐵磁金屬的磁化方向能夠通過寫入操作被改變。

本發明所述的磁性存儲器的數據寫入方法，依靠自旋軌道矩和自旋轉移矩兩種效應。其中自旋軌道矩通過在重金屬條狀薄膜或反鐵磁條狀薄膜施加電流而產生，自旋轉移矩通過在磁隧道結施加電流而產生。