CN103794715A - 一种基于电压控制的磁存储器 - Google Patents
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Abstract
一种基于电压控制的磁存储器，该磁存储器的MTJ结构基于垂直磁各向异性即PMA，在经典MTJ结构即自由层、参考层和隧道势垒层的三层结构基础上，添加了一层隧穿势垒层；该磁存储器的MTJ结构从下到上由底电极，反铁磁金属混合层，铁磁金属一，氧化物一，铁磁金属二，氧化物二及顶电极共七层构成。本发明具有稳定的非易失性、高读写速度和无限读写次数等特点，由于其基于电压控制改变储存单元的磁化状态，改变存储单元的状态所需的电流较低，在保持高读写速度的同时，实现了低功耗以及高的功耗利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电压控制的磁存储器，它包含一种基于电压控制改变存储单元状态的新型MTJ（磁隧道结）结构，即VMTJ，属于非挥发性存储器技术领域。
背景技术
磁随机存储器(MRAM)因其稳定的非易失性、高读写速度以及无限读写次数等特点，学术界和产业界自2000年以来对其广泛关注，并进行了大量的研究。第一款MRAM芯片采用电场诱导磁极翻转（FIMS）的方式，在2006年首次进行了商业化；由于其具有抗辐射特性，现今主要应用于航空航天领域。然而MRAM的进一步发展受到了来自FIMS方式的制约，其主要表现在：一、因为改变存储单元的状态所需的电流过高（例如
毫安），从而导致功耗过高以及功耗利用率过低。二、微缩性较差。新的切换方法，如热辅助方式以及自旋转移力矩（STT）方式，学术界和产业界正在对于进行紧锣密鼓的研发。STT由于其较高的功耗利用率和较快的写入速度，被认为是最有前途的改变存储单元的状态的技术之一。当MTJ（磁隧道结）纳米柱或MRAM存储单元的尺寸小于100nm时，存储单元的状态可由一个较低的自旋极化电流进行改变。MTJ纳米柱大致由三层薄膜组成：一个很薄的氧化栅（barrier）层和两个铁磁（FM）层。在典型应用中，一个铁磁层的磁化方向被钉扎住，另一个铁磁层的磁化方向则可以自由地选取两个不同方向，平行（P）或反平行（AP），分别对应于电阻RP和RAP。表征磁电阻变化的幅度的TMR=(RAP-RP)/RP，当采用MgO作为氧化栅（barrier）层时，TMR可以达到200％。
目前STT方法面临的问题是：其消耗的功率仍然高于由低电压驱动的晶体管。基于电压驱动存储单元状态改变的新方式已成为磁存储器的最终解决方案。在过去的两年中，一些研究小组已经提出了由电压控制自由层（free layer）的磁化状态改变的解决方案。
发明内容
1.发明目的：
针对上述背景中提到的采用STT方式改变存储单元状态的问题，本发明提供了一种基于电压控制的磁存储器，它克服了现有技术的不足，它包含一种基于电压控制改变存储单元状态的新型MTJ（磁隧道结）结构，即VMTJ。
2.技术方案：
本发明的技术方案是，一种基于电压控制的磁存储器，其特征是该磁存储器的MTJ结构基于垂直磁各向异性（PMA），在经典MTJ结构即自由层、参考层和隧道势垒层的三层结构基础上，添加了一层隧穿势垒层。该磁存储器的MTJ结构从下到上由底电极，反铁磁金属混合层，铁磁金属一，氧化物一，铁磁金属二，氧化物二及顶电极共七层构成；
所述氧化物一是指氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿效应来传输自旋信号；
所述氧化物二是指二氧化铪HfO2、二氧化钛TiO2、五氧化二钽Ta2O5、氧化亚铜Cu2O或氧化镍NiO中的一种，用于存储数据；
所述铁磁金属一是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样；
所述铁磁金属二是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样；
所述反铁磁金属混合层是指由混合金属材料钴铁硼CoFeB/镍铁NiFe/锰铂PtMn或钴铁硼CoFeB/钴铁CoFe/锰铂PtMn构成的混合层中的一种；
所述底电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
所述顶电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
其中，该底电极的厚度为10-200nm，反铁磁金属混合层的厚度为0-20nm，铁磁金属一的厚度为0-3nm，氧化物一的厚度为0-2nm，铁磁金属二的厚度为0-3nm，氧化物二的厚度为0-100nm，及顶电极的厚度为10-200nm。
其中，该磁存储器是通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将其各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的；
其中，该磁存储器的形状为正方形、长方形、圆形及椭圆形中的一种；
其中，该磁存储器的生产流程是通过传统的半导体生产后端工艺集成；
其中，该磁存储器的数据写入，是通过在自由层和顶电极两端加正负写入电压VW从而在自由层中写入磁状态的；
其中，该磁存储器的数据读取，是通过在自由层和底电极两端加正负读取电压Vr从而在参考层中读取磁状态的。
3.优点和功效：
本发明提供一种基于电压控制改变存储单元状态的磁存储器，它包含一种基于电压控制改变存储单元状态的新型MTJ（磁隧道结）结构，即VMTJ。该结构具有稳定的非易失性、高读写速度和无限读写次数等特点，由于其基于电压控制改变储存单元的磁化状态，改变存储单元的状态所需的电流较低，在保持高读写速度的同时，实现了低功耗以及高的功耗利用率。
本发明分别通过自由层和顶电极之间的电压VW，以及自由层和底电极之间的电压Vr来进行信息的写入和读取操作。其电压控制特性使得可以使用超低功耗进行存储单元的状态转变；而新添加的一层隧穿势垒层较厚，从而可以避免漏电流的产生。因为我们不用使用STT方式进行磁化状态翻转，所以可以使用相对较厚的隧道势垒层，进而对于读操作可以达到更低的功耗。对于铁磁层（自由层和参考层）可以基于面内或垂直结构，后者拥有高可靠性和较快的磁化状态翻转速度。
附图说明
图1为一种基于电压控制改变存储单元状态的磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构，即VMTJ的示意图。
图2为一种基于电压控制改变存储单元状态的磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构，即VMTJ的基本操作示意图。与传统的磁隧道结的主要区别是进行数据编程和数据读取的电流相互独立。其存储单元的数据写入，是通过在自由层和顶电极两端加正负写入电压Vw从而在自由层中写入磁状态的；其存储单元的数据读取，是通过在自由层和底电极两端加正负读取电压Vr从而在参考层中读取磁状态的。
图3（a）为本发明平行状态时的翻转方法与写入平行状态的切换方法；
图3（b）为本发明反平行状态时的翻转方法与写入反平行状态的切换方法。
图4为VMTJ的读取检测方式。
图5为使用阵列VMTJ进行数据存储的一种实现方式的示意图。其中多个储存单元共用一个中间电极。
图6为VMTJ存储器阵列结构示意图。与传统的存储器阵列的不同，VMTJ存储器阵列用于数据读出和写入的两位线相对独立。
图7（a）1VMTJ+1晶体管的体系结构；
图7（b）基于一个晶体管由每个位线共享的Cross-Point架构。
其中，图2、图3（a）、图3（b）、图4、图5、图6、图7中的参数定义为：
VW：表示在自由层中写入磁状态时，在自由层和顶电极两端所加的写入电压；
Vr：表示在参考层中读取磁状态时，在在自由层和底电极两端所加的读取电压；
P：表示存储单元写入平行状态；
AP：表示存储单元写入反平行状态；
“1”：表示存储单元写入的逻辑数据1；
“0”：表示存储单元写入的逻辑数据0；
Vdda/Vdd：表示该端接高电压值；
Gnd：表示该端接地；
BLW：表示写驱动器(Write Drives)；
BLR：表示检测放大器(Sense Amplifier)；
TE：表示顶电极；
BE：表示底电极；
ME：表示中间电极；
WL：表示字线。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图均为示意图。其中涉及的各功能层或区域的厚度非实际尺寸、工作模式中的电阻及电压值也非实际值。
在此公开了详细的示例性的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。
本发明提出了一种基于电压控制改变磁化状态的一个磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构，即VMTJ，该结构具有稳定的非易失性、高读写速度和无限读写次数等特点，因此可以采用该MTJ（磁隧道结）结构通过一定的集成方式建立新型磁存储器。
图1为本发明一种基于电压控制改变存储单元状态的磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构示意图；
本发明其特征是该磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构基于垂直磁各向异性（PMA），在经典MTJ结构即自由层、参考层和隧道势垒层的三层结构基础上，添加了一层隧穿势垒层。该磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构从下到上由底电极（10-200nm），反铁磁金属混合层（0-20nm），铁磁金属一（0-3nm），氧化物一（0-2nm），铁磁金属二（0-3nm），氧化物二（0-100nm）及顶电极（10-200nm）共七层构成；
在某一种特定实例中，所述氧化物一是指氧化镁MgO用于产生隧穿效应来传输自旋信号；所述氧化物二是指二氧化铪HfO2，用于存储数据；所述铁磁金属一是指混合金属材料钴铁硼CoFeB，该混合金属材料中各个元素组成可以不一样；所述铁磁金属二是指混合金属材料钴铁硼CoFeB，该混合金属材料中各个元素组成可以不一样；所述反铁磁金属混合层是指由混合金属材料锰铂PtMn构成的混合层，用于提供对于参考层的扎钉作用；所述底电极是指钽Ta；所述顶电极是指铝Al；通过采用磁控溅射的方法将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的；其形状为圆形。
图2为本发明一种基于电压控制改变存储单元状态的磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构，即VMTJ的基本操作示意图。与传统的磁隧道结的主要区别是，进行数据编程和数据读取的电流相互独立。其存储单元的数据写入，是通过在自由层和顶电极两端加正负写入电压Vw从而在自由层中写入磁状态的；其存储单元的数据读取，是通过在自由层和底电极两端加正负读取电压Vr从而在参考层中读取磁状态的。其电压控制特性使得可以使用超低功耗进行存储单元的状态转变；而新添加的一层隧穿势垒层较厚，从而可以避免漏电流的产生。因为我们不用使用STT方式进行磁化状态翻转，所以可以使用相对较厚的隧道势垒层，进而对于读操作可以达到更低的功耗。对于铁磁层（自由层和参考层）可以基于面内或垂直结构，后者拥有高可靠性和较快的磁化状态翻转速度。
本发明为一种磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构，是一个垂直的单元结构。自由层和参考层为铁磁或铁氧体磁性材料，呈现面内或垂直各向异性；Vw数值的正负决定了自由层的磁化方向，分别代表平行/反平行状态。隧穿势垒层可以是电介质（如氧化镁或氧化铝）或者铁电材料等。我们可以通过变化隧穿势垒层的厚度以及材料，来获得最优化的电阻和Ron/Rof比率，以提高读取操作的性能。我们可以通过改变隧穿势垒层的材料来获得各向异性。介电层或铁电体层的存在，使得写入电压可以改变自由层的磁化方向。其厚度有望适应提供电压和低的漏电流（低厚度以及高介电材料易于产生大的界面电荷密度和电场）。介电层或铁电体层可以由两层组成。例如，如下的双层结构：第一个薄层用于获得最大的磁特性（例如，各向异性和交换域），第二层（高介电材料）用来实现大界面电荷密度和电场。对于介电层或铁电体层，一定的厚度（例如20纳米）是必需的，以便减少漏电流。这两个层可以用不同的技术制造。介电层或铁电体层可以使用为非磁性或反铁磁性的材料。因此该磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构由于基于电压控制改变磁化状态，改变存储单元的状态的电流较低，在保持高读写速度的同时，实现了低功率消耗。
图3（a）、（b）为本发明一种基于电压控制改变存储单元状态的磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构，即VMTJ的写入磁化状态的示意图。图中的中间电极，主要是为了方便引出自由层的电压值；而图中的绝缘体，主要是为了隔开中间电极（自由层）以及底电极，使两者绝缘。
图3（a）为平行状态时的翻转方法与写入平行状态的切换方法。当写入“0”或者平行状态（P）时，我们在顶电极加高电压（Vdda），在中间电极加低电压（Gnd）。图3（b）为反平行状态时的翻转方法与写入反平行状态的切换方法。当写入“1”或者反平行状态（AP）时，我们在顶电极加低电压（Gnd），在中间电极加高电压（Vdda）。即存储单元的数据写入，是通过在自由层和顶电极两端所加电压的正负（从而在自由层中写入磁状态）而决定的。
图4为VMTJ的读取检测方式。图中的中间电极，主要是为了方便引出自由层的电压值；而图中的绝缘体，主要是为了隔开中间电极（自由层）以及底电极，使两者绝缘。图中在中间电极加高电压（Vdda），在底电极加低电压（Gnd），从而产生读取电流。再与基准电流比较后，即可读出自由层的磁化状态。即其存储单元的数据读取，是通过在自由层和底电极两端加正负读取电压Vr从而在参考层中读取磁状态的。
图5为使用阵列VMTJ进行数据存储的一种实现方式的示意图，其中多个储存单元共用一个中间电极。其中通过共用隧穿势垒层，可以进一步优化器件的结构以及减小面积。
图6为VMTJ存储器阵列结构示意图。与传统的存储器阵列的不同，VMTJ存储器阵列用于数据读出和写入的两位线相对独立，即分别为图中的BLR和BLW。其中BLR和外部写操作电相连接，提供写操作的驱动电压；BLW和外部读操作电路相连接，通过外接的信号放大器对信号进行分析比较。
图7（a）、（b）为VMTJ集成在一个阵列中的架构示意图。图7（a）1VMTJ+1晶体管的体系结构；图7（b）基于一个晶体管由每个位线共享的Cross-Point架构。本发明提出的一种基于电压控制改变磁化状态的一个磁存储器的新型MTJ（磁隧道结）结构，即VMTJ，可以广泛的应用于磁随机存储器的电路设计之中，并可以作为一个独立的IP核，方便使用者以及电路设计工作者自由调用。
Claims (7)
1.一种基于电压控制的磁存储器，其特征在于：该磁存储器的MTJ结构基于垂直磁各向异性即PMA，在经典MTJ结构即自由层、参考层和隧道势垒层的三层结构基础上，添加了一层隧穿势垒层；该磁存储器的MTJ结构从下到上由底电极，反铁磁金属混合层，铁磁金属一，氧化物一，铁磁金属二，氧化物二及顶电极共七层构成；
所述氧化物一是指氧化镁MgO或三氧化二铝Al2O3中的一种，用于产生隧穿效应来传输自旋信号；
所述氧化物二是指二氧化铪HfO2、二氧化钛TiO2、五氧化二钽Ta2O5、氧化亚铜Cu2O或氧化镍NiO中的一种，用于存储数据；
所述铁磁金属一是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样；
所述铁磁金属二是指混合金属材料钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe中的一种，这些混合金属材料中各个元素组成可以不一样；
所述反铁磁金属混合层是指由混合金属材料钴铁硼CoFeB/镍铁NiFe/锰铂PtMn或钴铁硼CoFeB/钴铁CoFe/锰铂PtMn构成的混合层中的一种；
所述底电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种；
所述顶电极是指钽Ta、铝Al或铜Cu中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种基于电压控制的磁存储器，其特征在于：该底电极的厚度为10-200nm，反铁磁金属混合层的厚度为0-20nm，铁磁金属一的厚度为0-3nm，氧化物一的厚度为0-2nm，铁磁金属二的厚度为0-3nm，氧化物二的厚度为0-100nm，顶电极的厚度为10-200nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于电压控制的磁存储器，其特征在于：该磁存储器是通过采用传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射的方法将其各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀传统纳米器件加工工艺来制备的。
4.根据权利要求1所述的一种基于电压控制的磁存储器，其特征在于：该磁存储器的形状为正方形、长方形、圆形及椭圆形中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于电压控制的磁存储器，其特征在于：该磁存储器的生产流程是通过传统的半导体生产后端工艺集成。
6.根据权利要求1所述的一种基于电压控制的磁存储器，其特征在于：该磁存储器的数据写入，是通过在自由层和顶电极两端加正负写入电压VW从而在自由层中写入磁状态的。
7.根据权利要求1所述的一种基于电压控制的磁存储器，其特征在于：该磁存储器的数据读取，是通过在自由层和底电极两端加正负读取电压Vr从而在参考层中读取磁状态的。
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104134748A (zh) * | 2014-07-17 | 2014-11-05 | 北京航空航天大学 | 一种信息传感及存储器件及其制备方法 |
| CN105374934A (zh) * | 2015-12-01 | 2016-03-02 | 中电海康集团有限公司 | 一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器及其制备、使用方法 |
| CN106449970A (zh) * | 2016-11-03 | 2017-02-22 | 北京航空航天大学 | 一种低功耗磁性存储单元 |
| CN106654002A (zh) * | 2016-11-03 | 2017-05-10 | 北京航空航天大学 | 一种低功耗磁性多阻态存储单元 |
| CN107785481A (zh) * | 2016-08-25 | 2018-03-09 | 中电海康集团有限公司 | 一种三端式磁性随机存储器及其读写方法 |
| CN109994599A (zh) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 中国科学院半导体研究所 | 压电式磁性随机存储器及其制备方法 |
| CN110061127A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-07-26 | 中国科学院微电子研究所 | 磁隧道结的形成方法及磁阻式随机存储器 |
| CN111834522A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-10-27 | 北京航空航天大学 | 磁性随机存储器、装置及读写控制方法 |
| CN113330592A (zh) * | 2019-11-22 | 2021-08-31 | 西部数据技术公司 | 包括高介电常数帽盖层的磁阻存储器设备及其制造方法 |
| CN113791737A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-14 | 北京航空航天大学 | 一种非易失性存储阵列的软错误检测方法及装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101866738A (zh) * | 2009-04-17 | 2010-10-20 | 中国科学院物理研究所 | 一种垂直磁各向异性的多层膜 |
| CN101925960A (zh) * | 2007-12-19 | 2010-12-22 | 高通股份有限公司 | 具有单独读取和写入路径的磁性隧道结装置 |
| WO2013012800A2 (en) * | 2011-07-15 | 2013-01-24 | The Johns Hopkins University | Magneto-electronic devices and methods of production |
| CN103563000A (zh) * | 2011-05-19 | 2014-02-05 | 加利福尼亚大学董事会 | 电压控制的磁各向异性（vcma）开关和电磁存储器（meram） |
-
2014
- 2014-02-28 CN CN201410072318.0A patent/CN103794715B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101925960A (zh) * | 2007-12-19 | 2010-12-22 | 高通股份有限公司 | 具有单独读取和写入路径的磁性隧道结装置 |
| CN101866738A (zh) * | 2009-04-17 | 2010-10-20 | 中国科学院物理研究所 | 一种垂直磁各向异性的多层膜 |
| CN103563000A (zh) * | 2011-05-19 | 2014-02-05 | 加利福尼亚大学董事会 | 电压控制的磁各向异性（vcma）开关和电磁存储器（meram） |
| WO2013012800A2 (en) * | 2011-07-15 | 2013-01-24 | The Johns Hopkins University | Magneto-electronic devices and methods of production |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| KOJI KITA ET AL.: "Electric-field-control of magnetic anisotropy of Co0.6Fe0.2B0.2/oxide stacks using reduced voltage", 《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》, vol. 112, no. 3, 14 August 2012 (2012-08-14), XP012166378, DOI: doi:10.1063/1.4745901 * |
| MANUEL BIBES ET AL.: "Multiferroics:Towards a magnetoelectric memory", 《NATURE MATERIALS》, vol. 7, no. 6, 30 June 2008 (2008-06-30), pages 425 - 426 * |
| PEDRAM KHALILI AMIRI ET AL.: "VOLTAGE-CONTROLLED MAGNETIC ANISOTROPY IN SPINTRONIC DEVICES", 《SPIN》, vol. 2, no. 3, 29 October 2012 (2012-10-29) * |
| T. MARUYAMA ET AL.: "Large voltage-induced magnetic anisotropy change in a few atomic layers of iron", 《NATURE NANOTECHNOLOGY》, vol. 4, no. 3, 18 January 2009 (2009-01-18), pages 158 - 161 * |
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104134748B (zh) * | 2014-07-17 | 2017-01-11 | 北京航空航天大学 | 一种信息传感及存储器件及其制备方法 |
| CN104134748A (zh) * | 2014-07-17 | 2014-11-05 | 北京航空航天大学 | 一种信息传感及存储器件及其制备方法 |
| CN105374934B (zh) * | 2015-12-01 | 2018-02-06 | 中电海康集团有限公司 | 一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器及其制备、使用方法 |
| CN105374934A (zh) * | 2015-12-01 | 2016-03-02 | 中电海康集团有限公司 | 一种应力辅助自旋转移扭矩磁电阻随机存储器及其制备、使用方法 |
| CN107785481A (zh) * | 2016-08-25 | 2018-03-09 | 中电海康集团有限公司 | 一种三端式磁性随机存储器及其读写方法 |
| CN106449970B (zh) * | 2016-11-03 | 2019-03-15 | 北京航空航天大学 | 一种低功耗磁性存储单元 |
| CN106654002A (zh) * | 2016-11-03 | 2017-05-10 | 北京航空航天大学 | 一种低功耗磁性多阻态存储单元 |
| CN106654002B (zh) * | 2016-11-03 | 2018-12-04 | 北京航空航天大学 | 一种低功耗磁性多阻态存储单元 |
| CN106449970A (zh) * | 2016-11-03 | 2017-02-22 | 北京航空航天大学 | 一种低功耗磁性存储单元 |
| CN109994599A (zh) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 中国科学院半导体研究所 | 压电式磁性随机存储器及其制备方法 |
| CN110061127A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-07-26 | 中国科学院微电子研究所 | 磁隧道结的形成方法及磁阻式随机存储器 |
| CN110061127B (zh) * | 2019-05-20 | 2023-08-08 | 中国科学院微电子研究所 | 磁隧道结的形成方法及磁阻式随机存储器 |
| CN113330592A (zh) * | 2019-11-22 | 2021-08-31 | 西部数据技术公司 | 包括高介电常数帽盖层的磁阻存储器设备及其制造方法 |
| CN111834522A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-10-27 | 北京航空航天大学 | 磁性随机存储器、装置及读写控制方法 |
| CN113791737A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-14 | 北京航空航天大学 | 一种非易失性存储阵列的软错误检测方法及装置 |
| CN113791737B (zh) * | 2021-09-15 | 2024-02-02 | 北京航空航天大学 | 一种非易失性存储阵列的软错误检测方法及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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