[發(fā)明專利]一種多級(jí)單元磁存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及其讀寫方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910375368.9
• 申請(qǐng)日: 2019-05-07
• 公開（公告）號(hào): CN110164902B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐巖松;王昭昊;吳比;趙巍勝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L27/22
• 分類號(hào): H01L27/22;H01L43/08;H01L43/12;G11C11/15
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發(fā)明公開一種多級(jí)單元磁存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及其讀寫方法，該存儲(chǔ)單元由下到上依次為垂直堆疊的強(qiáng)自旋軌道耦合材料、第一磁隧道結(jié)、第二磁隧道結(jié)、第三磁隧道結(jié)及第一電極，強(qiáng)自旋軌道耦合材料兩端分別鍍有第二電極和第三電極；第一磁隧道結(jié)的底面形狀內(nèi)含于強(qiáng)自旋軌道耦合材料上表面，第三磁隧道結(jié)的底面形狀內(nèi)含于第二磁隧道結(jié)上表面，第一磁隧道結(jié)上表面的形狀、尺寸和第二磁隧道結(jié)的底面完全相同；第一磁隧道結(jié)的自由層與強(qiáng)自旋軌道耦合材料相接觸；第二、三磁隧道結(jié)的自由層、參考層的相對(duì)擺放位置與第一磁隧道結(jié)相同。通過對(duì)單元結(jié)構(gòu)改進(jìn)并設(shè)計(jì)相應(yīng)的讀寫方法，本發(fā)明在提高存儲(chǔ)密度的同時(shí)，可減少級(jí)間干擾，簡(jiǎn)化寫入步驟，優(yōu)化器件的讀取性能。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于自旋存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多級(jí)單元磁存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及其讀寫方法，用于實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)。

【背景技術(shù)】

基于電子自旋的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(Magnetic random access memory,MRAM)，具有訪問速度快，抗輻射性強(qiáng)以及非易失性等優(yōu)勢(shì)而被視為最具潛力的下一代存儲(chǔ)器技術(shù)。MRAM存儲(chǔ)單元的核心器件是磁隧道結(jié)(Magnetic tunnel junction,MTJ)，由于受工藝和磁各向異性限制，目前MTJ占用面積較大，導(dǎo)致MRAM存儲(chǔ)密度偏低。盡管近些年開始采用垂直磁各向異性MTJ構(gòu)筑MRAM，提高了存儲(chǔ)密度，也僅勉強(qiáng)達(dá)Gb容量的水準(zhǔn)。

相比之下，NAND閃存技術(shù)采用多級(jí)單元結(jié)構(gòu)顯著提高了存儲(chǔ)容量。目前業(yè)界普遍采用在每個(gè)NAND閃存單元存放兩比特(Multi-level cell,MLC)或三比特?cái)?shù)據(jù)(Triple-level cell,TLC)的多級(jí)單元結(jié)構(gòu)，并通過3D堆疊的方法，來獲得更高的存儲(chǔ)密度和更低的生產(chǎn)成本。TLC更是占據(jù)如今低端固態(tài)硬盤的主要市場(chǎng)。

類似的多級(jí)單元結(jié)構(gòu)也可用于MRAM中。目前學(xué)術(shù)界關(guān)于MTJ多級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要有兩種：一種是平行型設(shè)計(jì)，即不同尺寸的MTJ依次排列在同一參考層上；另一種是連續(xù)型設(shè)計(jì)，即各MTJ按大小順序垂直堆疊。盡管平行型結(jié)構(gòu)在能耗和器件性能方面要優(yōu)于連續(xù)型，但連續(xù)型MTJ更易于制造且已有MLC結(jié)構(gòu)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，因此受到更多研究關(guān)注。

然而，對(duì)于多級(jí)單元磁存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)而言，其設(shè)備性能并沒有隨存儲(chǔ)密度的提升而倍增，原因是多級(jí)結(jié)構(gòu)需要更復(fù)雜的寫入步驟和讀取電路。這一缺點(diǎn)在TLC結(jié)構(gòu)中更為明顯，在寫入方面：級(jí)間存在寫入干擾，在對(duì)較難寫入的層級(jí)操作時(shí)，其他層級(jí)可能會(huì)被錯(cuò)誤地寫入，甚至存在擊穿風(fēng)險(xiǎn)；寫入過程中還存在許多無效、連帶的改寫，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)。在讀取方面：相較于區(qū)分單比特兩個(gè)存儲(chǔ)狀態(tài)，讀取TLC的八個(gè)不同存儲(chǔ)狀態(tài)將遭受更低的區(qū)分度和可靠性；此外，所需參考阻值的產(chǎn)生方式也更加復(fù)雜，會(huì)占據(jù)大量片上空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

針對(duì)上述背景中提到的傳統(tǒng)多級(jí)單元磁存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)在堆疊到三比特時(shí)，讀寫性能進(jìn)一步惡化的問題，本發(fā)明公開了一種多級(jí)單元磁存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及其讀寫方法。該結(jié)構(gòu)克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過對(duì)單元結(jié)構(gòu)的改進(jìn)并設(shè)計(jì)相應(yīng)的讀寫方法，可以減少級(jí)間干擾，簡(jiǎn)化寫入步驟，并優(yōu)化器件的讀取性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種多級(jí)單元磁存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，該存儲(chǔ)單元由下到上依次為垂直堆疊的強(qiáng)自旋軌道耦合材料、第一磁隧道結(jié)、第二磁隧道結(jié)、第三磁隧道結(jié)及第一電極，在強(qiáng)自旋軌道耦合材料兩端分別鍍有第二電極和第三電極；所述第一磁隧道結(jié)的底面形狀內(nèi)含于所述強(qiáng)自旋軌道耦合材料的上表面，所述第三磁隧道結(jié)的底面形狀內(nèi)含于所述第二磁隧道結(jié)的上表面，第一磁隧道結(jié)上表面的形狀、尺寸和第二磁隧道結(jié)的底面完全相同；所述第一磁隧道結(jié)的自由層與所述強(qiáng)自旋軌道耦合材料相接觸，可受自旋軌道耦合作用的影響；所述第二、三磁隧道結(jié)的自由層、參考層的相對(duì)擺放位置與所述第一磁隧道結(jié)相同。

作為優(yōu)選的，所述三個(gè)磁隧道結(jié)阻值R的大小關(guān)系具體滿足：

R_3H+R_2L+R_1L＞R_3L+R_2H+R_1H