[發(fā)明專利]多功能磁性隨機(jī)存儲單元、方法、存儲器及設(shè)備

有效

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• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN113451502B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王昭昊;王旻;王朝;趙巍勝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H01L43/02
• 分類號: H01L43/02;H01L43/08;H01L43/10;H01L27/22;G11C11/16
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 趙平;葉明川

本發(fā)明提供了一種多功能磁性隨機(jī)存儲單元、方法、存儲器及設(shè)備，所述存儲單元包括自旋軌道耦合層、至少一個(gè)磁隧道結(jié)以及VCMA調(diào)控模塊，所述至少一個(gè)磁隧道結(jié)的自由層受到DMI效應(yīng)作用；所述VCMA調(diào)控模塊用于通過輸入VCMA電壓使所述磁隧道結(jié)處于第一垂直各向異性狀態(tài)或第二垂直各向異性狀態(tài)；當(dāng)所述磁隧道結(jié)處于第一垂直各向異性狀態(tài)時(shí)，向自旋軌道耦合層輸入第一電流，所述磁隧道結(jié)的阻態(tài)改變；當(dāng)所述磁隧道結(jié)處于第二垂直各向異性狀態(tài)時(shí)，向自旋軌道耦合層輸入第二電流，所述磁隧道結(jié)形成隨機(jī)阻態(tài)，本發(fā)明可在無外加磁場條件下實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)生成和數(shù)據(jù)存儲。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多功能磁性隨機(jī)存儲單元、方法、存儲器及設(shè)備。

背景技術(shù)

隨著半導(dǎo)體工藝尺寸的不斷縮小，摩爾定律放緩，漏電流的增加和互聯(lián)延遲成為傳統(tǒng)CMOS存儲器的瓶頸。磁性隨機(jī)存儲器(Magnetic random access memory,MRAM)具有無限擦寫次數(shù)、非易失性、讀寫速度快、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，有望成為通用存儲器，是構(gòu)建下一代非易失主存和緩存的理想器件。磁隧道結(jié)是磁隨機(jī)存儲器的基本存儲單元。第二代自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機(jī)存儲器(STT-MRAM)存在孵化時(shí)間較長、讀寫干擾等缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。自旋軌道矩磁性隨機(jī)存儲器(SOT-MRAM)由于具有寫入速度快、讀寫路徑分離和功耗較低等優(yōu)點(diǎn)，受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛重視。

目前基于自旋軌道矩(Spin-orbit torque,SOT)的SOT-MRAM有望成為MRAM下一代寫入技術(shù)的核心器件。與STT-MRAM相比，SOT-MRAM寫入電流流經(jīng)底層自旋軌道耦合層，避免了擊穿風(fēng)險(xiǎn)。而且，SOT-MRAM理論上具有小于1ns的超快寫入速度，有望成為緩存。并且，形成自旋軌道耦合層的重金屬電阻率低、功耗低，基于SOT-MRAM的存儲器件讀寫支路分離，允許更厚的勢壘層。但是，SOT-MRAM如果沒有外部磁場，磁矩將會在極化電流的作用下被拉到面內(nèi)，撤去電流后，磁矩將以相同的概率向上或向下，也就是說，SOT-MRAM在沒有外部磁場時(shí)磁矩的切換是不確定的，可以用來生成真隨機(jī)數(shù)生成器。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，外部磁場的使用會增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，可行性較低，并且，目前的SOT-MRAM也只能實(shí)現(xiàn)單一的隨機(jī)數(shù)生成或數(shù)據(jù)存儲功能，利用率低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種多功能磁性隨機(jī)存儲單元，提供一種無外加磁場條件下的隨機(jī)數(shù)生成和數(shù)據(jù)存儲的多功能磁性隨機(jī)存儲單元。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于多功能磁性隨機(jī)存儲單元的數(shù)據(jù)寫入方法。本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種基于多功能磁性隨機(jī)存儲單元的邏輯運(yùn)算方法。本發(fā)明的還一個(gè)目的在于提供一種多功能磁性隨機(jī)存儲器。本發(fā)明的還一個(gè)目的在于提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明一方面公開了一種多功能磁性隨機(jī)存儲單元，包括自旋軌道耦合層、設(shè)于所述自旋軌道耦合層上的至少一個(gè)磁隧道結(jié)以及VCMA調(diào)控模塊，所述至少一個(gè)磁隧道結(jié)的自由層受到DMI效應(yīng)作用；

所述VCMA調(diào)控模塊用于通過輸入VCMA電壓使所述磁隧道結(jié)處于第一垂直各向異性狀態(tài)或第二垂直各向異性狀態(tài)，所述第一垂直各向異性狀態(tài)的磁隧道結(jié)的垂直各向異性大于第二垂直各向異性狀態(tài)的磁隧道結(jié)的垂直各向異性；

當(dāng)所述磁隧道結(jié)處于第一垂直各向異性狀態(tài)時(shí)，向自旋軌道耦合層輸入第一電流，所述磁隧道結(jié)的阻態(tài)改變；當(dāng)所述磁隧道結(jié)處于第二垂直各向異性狀態(tài)時(shí)，向自旋軌道耦合層輸入第二電流，所述磁隧道結(jié)形成隨機(jī)阻態(tài)。

優(yōu)選的，若所述磁隧道結(jié)處于第一垂直各向異性狀態(tài)，所述VCMA調(diào)控模塊用于輸入正向的VCMA電壓使所述磁隧道結(jié)在正向的VCMA電壓作用下處于第二垂直各向異性狀態(tài)；或者，

若所述磁隧道結(jié)處于第二垂直各向異性狀態(tài)，所述VCMA調(diào)控模塊用于輸入反向的VCMA電壓使所述磁隧道結(jié)在反向的VCMA電壓作用下處于第一垂直各向異性狀態(tài)。

優(yōu)選的，進(jìn)一步包括寫入模塊，用于向所述自旋軌道耦合層輸入所述第一電流或所述第二電流；