CN105633109B - 磁性随机存储器记忆单元及其读写和抗干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁性随机存储器记忆单元，包括堆叠结构和自旋阀控制层，堆叠结构包括：磁性参考层、磁性记忆层、隧道势垒层、中间层和自旋阀层；磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；磁性记忆层和自旋阀层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；隧道势垒层位于磁性参考层和磁性记忆层之间且分别与磁性参考层和磁性记忆层相邻；中间层与磁性记忆层相邻；自旋阀层的磁各向异性小于磁性记忆层的磁各向异性；自旋阀层与所述中间层相邻；自旋阀控制层是与堆叠结构相间隔设置的导电层。本发明还提供了一种上述磁性随机存储器记忆单元的读写和抗干扰方法，以及基于以上设计构思的另一种记忆单元及其读写和抗干扰方法。
Description
技术领域
本发明涉及存储器件领域，尤其涉及一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元及其读写和抗干扰方法。
背景技术
近年来人们利用磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的特性做成磁性随机存储器，即为MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当磁性记忆层与磁性参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，磁记忆元件的电阻态也相应为低阻态或高阻态。这样测量磁电阻单元的电阻态即可得到存储的信息。
已有一种方法可以得到高的磁电阻(MR，Magneto Resistance)率：在非晶结构的磁性膜的表面加速晶化形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势垒层一侧形成，这样使得隧道势垒层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR率。
一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型MRAM：在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变磁电阻单元中的记忆层的磁化强度方向。自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流把它的角动量转移给磁性记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。
在一个简单的面内型STT-MRAM结构中，每个MTJ元件的磁性记忆层都具有稳定的面内磁化强度。面内型器件的易磁化轴由磁性记忆层的面内形状或形状各向异性决定。CMOS晶体管产生的写电流流经磁电阻单元的堆叠结构后，可以改变其电阻态，也即改变了存储的信息。进行写操作时电阻会改变，一般情况下采用恒定电压。在STT-MRAM中，电压主要作用在约厚的氧化物层(即隧道势垒层)上。如果电压过大，隧道势垒层会被击穿。即使隧道势垒层不会立即被击穿，如果重复进行写操作的话，会使得电阻值产生变化，读操作错误增多，磁电阻单元也会失效，无法再记录数据。另外，写操作需要有足够的电压或自旋电流。所以在隧道势垒层被击穿前也会出现记录不完全的问题。
对于垂直型STT-MRAM(pSTT-MRAM，perpendicular Spin-transfer TorqueMagnetic Random Access Memory)有着上述同样的情况。此外，在pSTT-MRAM中，由于两个磁性层的磁晶各向异性比较强(不考虑形状各向异性)，使得其易磁化方向都垂直于层表面，为此在同样的条件下，该器件的尺寸可以做得比面内型器件更小。
因为减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。但是小尺度的MTJ元件的图案化会导致MTJ电阻率的高不稳定性，并且需要相对较高的切换电流或记录电压。
pSTT-MRAM的读操作是把电压作用在MTJ堆叠结构上，再测量此MTJ元件是处于高阻态或是低阻态。为了正确得到电阻态是高或低，需要的电压相对较高。并且写操作和读操作需要的电压值并不相等，在当前的先进技术节点，若各MTJ之间有任何的电子特性波动，都会导致本应进行读操作的电流，却像写电流一样，改变了MTJ中磁性记忆层的磁化强度方向。
因为在对此非易失性的MTJ记忆体进行写操作会改变它的电阻值时，使MTJ记忆器件产生损耗，缩短了它的生命周期。为了减小这种负面影响，我们需要提供一些方法来得到某种结构的pSTT-MRAM，可以同时具有高精度的读操作，以及高可靠的写操作。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元，其包括堆叠结构，所述堆叠结构包括：
磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻，本文中的层与层的“相邻”是指层与层紧贴设置，其间未主动设置其它层；
中间层，所述中间层的材料是金属氧化物或非磁性金属，并且与所述磁性记忆层相邻；
自旋阀层，所述自旋阀层的材料是铁磁性合金，其磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性；所述自旋阀层与所述中间层相邻；并且
所述磁性随机存储器记忆单元还包括自旋阀控制层，所述自旋阀控制层是与所述堆叠结构相间隔设置的导电层；所述自旋阀控制层的结构满足：流经所述自旋阀控制层的电流能够产生垂直于所述自旋阀层的层表面的磁场或磁场分量。
进一步地，所述磁性参考层、所述隧道势垒层和所述磁性记忆层形成第一磁性隧道结，所述自旋阀层、所述中间层和所述磁性记忆层形成第二磁性隧道结(当所述中间层是金属氧化物)或巨磁阻结构(当所述中间层是非磁性金属)，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻。
优选地，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻的三分之一。
进一步地，所述自旋阀控制层与所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表面相平行的平面，所述平面分别与所述自旋阀控制层和所述自旋阀层相交。
进一步地，所述自旋阀层的磁各向异性小于或等于所述磁性记忆层的磁各向异性的70％。
进一步地，作为所述自旋阀层材料的铁磁性合金中至少一种元素为Co、Fe、Ni或B。
进一步地，作为所述中间层材料的金属氧化物是MgO、ZnO或MgZnO。
进一步地，作为所述中间层材料的非磁性金属是Cu、Ag、Au或Ru。
进一步地，所述自旋阀控制层包括第一控制层和第二控制层，所述第一控制层和所述第二控制层分别设置在所述自旋阀层的两侧，并且所述第一控制层、所述第二控制层和所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表面相平行的平面，所述平面分别与所述第一控制层、所述第二控制层和所述自旋阀层相交。
本发明还提供了一种上述磁性随机存储器记忆单元的读写方法，通过流经所述自旋阀控制层的电流产生的磁场将所述自旋阀层设置为第一状态或第二状态；
当所述自旋阀层处于所述第一状态时，所述自旋阀层的磁化方向反平行于所述磁性参考层的磁化方向；
当所述自旋阀层处于所述第二状态时，所述自旋阀层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的写操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第一状态，再通过在所述堆叠结构中加载电流，以改变所述磁性记忆层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的读操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第二状态，再在所述堆叠结构上加载电压，以读取电流。
优选地，所述自旋阀控制层上加载预设强度、周期、方向的电流脉冲。
进一步地，所述写操作中，
当流经所述堆叠结构的电流方向是从所述磁性参考层指向所述自旋阀层时，在自旋转移矩作用下，所述磁性记忆层的磁化方向反平行于所述磁性参考层的磁化方向；
当流经所述堆叠结构的电流方向是从所述自旋阀层指向所述磁性参考层时，在自旋转移矩作用下，所述磁性记忆层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向。
本发明还提供了另一种上述磁性随机存储器记忆单元的读写方法，通过流经所述第一控制层的电流产生的磁场和流经所述第二控制层的电流产生的磁场共同作用将所述自旋阀层设置为第一状态或第二状态；
当所述自旋阀层处于所述第一状态时，所述自旋阀层的磁化方向反平行于所述磁性参考层的磁化方向；
当所述自旋阀层处于所述第二状态时，所述自旋阀层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的写操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第一状态，再通过在所述堆叠结构中加载电流，以改变所述磁性记忆层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的读操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第二状态，再在所述堆叠结构上加载电压，以读取电流。
进一步地，在设置所述自旋阀层的状态时，流经所述第一控制层的电流方向与流经所述第二控制层的电流方向相反。
本发明还提供了一种上述磁性随机存储器记忆单元之间的抗干扰方法，至少包括两个所述磁性随机存储器记忆单元，即第一记忆单元和第二记忆单元，其特征在于，当所述第一记忆单元通过在其自旋阀控制层加载电流来设置其自旋阀层的磁化方向时，所述第二记忆单元通过在其自旋阀控制层加载与所述电流反向的电流来抵消所述电流对其自旋阀层的磁化方向的影响，并且可以加强对所述第一记忆单元中自旋阀层的磁化。
基于上述设计构思，本发明还提供了另一种磁性随机存储器记忆单元，包括字线、MOS管和堆叠结构，所述字线与所述MOS管的栅极连接，所述堆叠结构与所述MOS管的漏级或源级连接，所述堆叠结构包括：
磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻，本文中的层与层的“相邻”是指层与层紧贴设置，其间未主动设置其它层；
中间层，所述中间层的材料是金属氧化物或非磁性金属，并且与所述磁性记忆层相邻；
自旋阀层，所述自旋阀层的材料是铁磁性合金，其磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性；所述自旋阀层与所述中间层相邻；并且
所述字线与所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表面相平行的平面，所述平面分别与所述字线和所述自旋阀层相交；所述字线的走向满足：流经所述字线的电流能够产生垂直于所述自旋阀层的层表面的磁场或磁场分量。
进一步地，所述磁性参考层、所述隧道势垒层和所述磁性记忆层形成第一磁性隧道结，所述自旋阀层、所述中间层和所述磁性记忆层形成第二磁性隧道结(当所述中间层是金属氧化物)或巨磁阻结构(当所述中间层是非磁性金属)，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻。
优选地，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻的三分之一。
进一步地，所述自旋阀层的磁各向异性小于或等于所述磁性记忆层的磁各向异性的70％。
进一步地，作为所述自旋阀层材料的铁磁性合金中至少一种元素为Co、Fe、Ni或B。
进一步地，作为所述中间层材料的金属氧化物是MgO、ZnO或MgZnO。
进一步地，作为所述中间层材料的非磁性金属是Cu、Ag、Au或Ru。
本发明还提供了一种上述磁性随机存储器记忆单元的读写方法，在字线上加电压打开MOS管，同时输出电流将所述自旋阀层设置为第一状态或第二状态；
当所述自旋阀层处于所述第一状态时，所述自旋阀层的磁化方向反平行于所述磁性参考层的磁化方向；
当所述自旋阀层处于所述第二状态时，所述自旋阀层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的写操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第一状态，再通过在所述堆叠结构中加载电流，以改变所述磁性记忆层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的读操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第二状态，再在所述堆叠结构上加载电压，以读取电流。
进一步地，所述写操作中，
当流经所述堆叠结构的电流方向是从所述磁性参考层指向所述自旋阀层时，在自旋转移矩作用下，所述磁性记忆层的磁化方向反平行于所述磁性参考层的磁化方向；
当流经所述堆叠结构的电流方向是从所述自旋阀层指向所述磁性参考层时，在自旋转移矩作用下，所述磁性记忆层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向。
本发明还提供了一种上述磁性随机存储器记忆单元之间的抗干扰方法，至少包括两个所述磁性随机存储器记忆单元，即第一记忆单元和第二记忆单元，当所述第一记忆单元通过在其字线加载电流来设置其自旋阀层的磁化方向时，所述第二记忆单元通过在其字线加载与所述电流反向的电流来抵消所述电流对其自旋阀层的磁化方向的影响。
本发明还提供了一种使用上述磁性随机存储器记忆单元所组成的记忆单元阵列架构，包括连接记忆单元阵列的读写控制器，进一步还包括自旋阀控制器，字线的一端连接所述自旋阀控制器，所述自旋阀控制器用于向所述字线提供电流或电压信号，并且所述自旋阀控制器还与所述读写控制器相连接，以接收来自所述读写控制器的同步信号。
进一步地，所述自旋阀控制器上对应每根所述字线分别设置一个MOS管。
进一步地，当所述自旋阀控制器在所述字线上加载信号时，所述字线两端的电压使所述字线所连接的每个记忆单元的MOS管都工作在线性区，并且使所述字线对应在所述自旋阀控制器上的MOS管工作在饱和区，流经所述字线的饱和电流是产生自旋阀层磁化所需的电流。
本发明的垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元只需在自旋阀控制层上加载较小电流，就可改变自旋阀层的磁化方向，在实际应用时，当自旋阀层被设置为第一状态时，在磁性参考层与自旋阀层的两重自旋转移矩作用下，磁性记忆层的磁化方向是易于改变的，从而在写操作时可以减小写电流；
而当自旋阀层被设置为第二状态时，因为磁性参考层与自旋阀层具有相同的磁化方向并且两者位于磁性记忆层的两侧，使得两者的自旋转移矩部分或完全抵消，此时磁性记忆层的磁化方向是难以改变的，从而增强了读操作的稳定性。
本发明的另一种磁性随机存储器记忆单元通过调整字线的位置，使其可以用于改变自旋阀层的磁化方向，在实际应用时，当自旋阀层被设置为第一状态时，在磁性参考层与自旋阀层的两重自旋转移矩作用下，磁性记忆层的磁化方向是易于改变的，从而在写操作时可以减小写电流；
而当自旋阀层被设置为第二状态时，因为磁性参考层与自旋阀层具有相同的磁化方向并且两者位于磁性记忆层的两侧，使得两者的自旋转移矩部分或完全抵消，此时磁性记忆层的磁化方向是难以改变的，从而增强了读操作的稳定性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一种磁性随机存储器记忆单元的剖面结构示意图；
图2是图1中磁电阻单元的结构示意图；
图3是图1结构中自旋阀层的磁化方向设置的示意图；
图4是图1结构中将自旋阀层设置为置位状态的示意图；
图5是图4中磁电阻单元设置为高阻态的示意图；
图6是图4中磁电阻单元设置为低阻态的示意图；
图7是图1结构中将自旋阀层设置为复位状态的示意图；
图8是图4中磁电阻单元读取示意图；
图9是图1的记忆单元间的磁场作用示意图；
图10是本发明的另一种磁性随机存储器记忆单元的剖面结构示意图；
图11是图10的记忆单元间的磁场作用示意图；
图12是本发明的又一种磁性随机存储器记忆单元的剖面结构示意图；
图13是本发明的一种记忆单元阵列的架构示意图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
图1示出了本发明的一种垂直型自旋转移矩磁性随机存储器记忆单元的剖面结构示意图，其中包括由顶电极11、磁性隧道结12、中间层13、自旋阀层14、底电极15组成的磁电阻单元1，以及设置在自旋阀层14一侧由电介质层3隔离开的自旋阀控制层2。
磁性隧道结12由依次堆叠的磁性参考层121、隧道势垒层122和磁性记忆层123组成，并且磁性参考层121与顶电极11相邻，磁性记忆层123与中间层13相邻，如图2所示。磁性参考层121的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；磁性记忆层123的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面。
中间层13的材料可以是金属氧化物，如MgO、ZnO或MgZnO，也可以是非磁性金属，如Cu、Ag、Au或Ru。
自旋阀层14的材料是铁磁性合金，其中至少一种元素为Co、Fe、Ni或B。自旋阀层14的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面，并且自旋阀层14的磁各向异性小于磁性记忆层123的磁各向异性，优选地小于或等于磁性记忆层123的磁各向异性的70％。
磁性记忆层123、中间层13和自旋阀层14组成磁性隧道结10(或巨磁阻结构)，磁性隧道结10(或巨磁阻结构)的磁电阻小于磁性隧道结12的磁电阻，优选地小于磁性隧道结12的磁电阻的三分之一。
自旋阀控制层2与磁电阻单元1间隔设置，其在纵向上处于与自旋阀层14大致等高的位置。以图1中剖面为参考面，此处的自旋阀控制层2相当于垂直于图1剖面延伸的导电线，其中的电流具有流入和流出两个方向。图3示出了流入方向的电流I及其所产生的磁场B。穿过自旋阀层14的磁力线垂直于自旋阀层14的层表面或具有垂直于自旋阀层14的层表面的磁场分量。从而通过在自旋阀控制层2加载脉冲电流，来改变自旋阀层14的磁化方向。
根据自旋阀层14的磁化方向不同，其两种状态分别可称为置位或复位状态。
当自旋阀层14处于置位状态时，其磁化方向反平行于磁性参考层121的磁化方向；当自旋阀层14处于复位状态时，其磁化方向平行于磁性参考层121的磁化方向。
图1中还示出了与顶电极11相连的位线4，以及与磁电阻单元1相连的MOS管，其中包括漏极51、栅极52和源极53，以及相应的漏极引线54、栅极引线55、和源极引线56，漏极引线54与底电极15连接。
图1中记忆单元的读写操作方式如下：
写操作：在自旋阀层14处于置位状态时，即通过流经自旋阀控制层2的脉冲电流Ip1，在电流产生的磁场作用下，使自旋阀层14的磁化方向反平行于磁性参考层121的磁化方向，如图4所示，在MOS管开启状态下，通过流经位线4和磁电阻元件1的写电流，使磁性记忆层123在自旋转移矩作用下改变磁化方向。如图5所示，写电流I0使磁性记忆层123磁化方向反平行于磁性参考层121的磁化方向，从而使磁性隧道结12处于高阻态；如图6所示，写电流I1使磁性记忆层123磁化方向平行于磁性参考层121的磁化方向，从而使磁性隧道结12处于低阻态。
上述写操作中，在磁性参考层121与自旋阀层14的双重自旋转移矩作用下，磁性记忆层123的磁化方向是易于改变的，从而可有效地减小写电流。
读操作：在自旋阀层14处于复位状态时，即先通过在自旋阀控制层2加载脉冲电流Ip2，在电流产生的磁场下，使自旋阀层14的磁化方向平行于磁性参考层121的磁化方向，如图7所示，在MOS管开启状态下，磁电阻单元1上加载预设的读取电压，根据磁性隧道结12的组态不同，可获得不同的读电流I2，如图8所示。
上述读操作中，因为磁性参考层121与自旋阀层14具有相同的磁化方向并且两者位于磁性记忆层123的两侧，使得两者的自旋转移矩部分或完全抵消，此时磁性记忆层123的磁化方向是难以改变的，从而增强了读操作的稳定性。
同时需要考虑的是，当在一个记忆单元阵列中，如在某一记忆单元的自旋阀控制层中通电流来进行自旋阀层的状态切换时，该电流产生的磁场可能也会对相邻或附近的记忆单元中的自旋阀层产生影响。如图9所示，记忆单元90和记忆单元91是阵列中两个邻近的记忆单元，记忆单元90中的自旋阀控制层902通过电流I90，并形成磁场B90，假设磁场B90作用于记忆单元91中的自旋阀层911的磁场强度足以改变自旋阀层901的磁化方向，此时可以在记忆单元91中的自旋阀控制层912中通过方向相反的电流I91，从而产生反向磁场B91，以抵消磁场B90对自旋阀层911的影响，可以根据记忆单元间的距离以及电流I90的大小，来确定反向电流I91的大小或制定电流取值规则。另一方面，磁场B90和B91作用于记忆单元90的自旋阀层901的磁力线方向相同或是垂直于自旋阀层901层面的磁场分量方向相同，从而磁场B91同时也可以加强对自旋阀层901的磁化。
解决上述问题的另一种方式是采用如图10的结构，与图1的结构不同之处在于，同时在磁电阻单元1相对的两边分别设置自旋阀控制层21和自旋阀控制层22。当需要设置自旋阀层14的磁化方向时，自旋阀控制层21和自旋阀控制层22中分别通过方向相反的电流，此时对于处在自旋阀控制层21和自旋阀控制层22之间的自旋阀层14来说，两侧电流所产生的磁场作用是同向叠加的，但对于邻近的记忆单元中的自旋阀层来说，自旋阀控制层21和自旋阀控制层22的电流所产生的磁场作用是反向抵消的，其净磁场不足以改变自旋阀层14的磁化方向。如图11所示，记忆单元110和记忆单元111是阵列中两个邻近的记忆单元，记忆单元110中的自旋阀控制层1102和1103分别通电流I110和I111，电流I110和I111方向相反，分别形成磁场B110和B111，磁场B110和B111作用于记忆单元110的自旋阀层1101的磁力线方向相同或是垂直于自旋阀层1101层面的磁场分量方向相同。而对于记忆单元111的自旋阀层1111，磁场B110和B111作用于自旋阀层1111的磁力线方向相反或是垂直于自旋阀层1111层面的磁场分量方向相反。同理，对于设置在记忆单元110左侧的记忆单元也同样适用于上述分析。
实施例二
图12示出了包含本发明的又一种磁性随机存储器记忆单元的剖面结构示意图，其中包括由顶电极11、磁性隧道结12、中间层13、自旋阀层14、底电极15组成的磁电阻单元1，以及设置在自旋阀层14一侧由电介质层3隔离开的字线20，字线20处于与自旋阀层14大致等高的位置。
图12中还示出了与顶电极11相连的位线4，以及与磁电阻单元1相连的MOS管，其中包括漏极51、栅极52和源极53，以及相应的漏极引线54、栅极引线55、和源极引线56，漏极引线54与底电极15连接，栅极引线55与字线20连接。
本实施例与实施例一的差异仅在于，将字线20替代实施例一中的自旋阀控制层2使用。针对磁性隧道结12、中间层13、自旋阀层14各层的设置与实施例一完全相同，并且也可以使用同样的读写方式。
以下对由本发明的记忆单元组成的记忆单元阵列的架构做示例性说明，如图13所示，在传统的存储阵列架构下，增设了自旋阀控制器，字线的末端连着自旋阀控制器。自旋阀控制器用于向字线提供电流或电压信号，此控制器上对应每根字线分别设置一个MOS管。当在字线上加载信号时，字线两端的电压要保证字线上的每一个记忆单元的MOS管都工作在线性区，而字线对应的在自旋阀控制器上的MOS管工作在饱和区(饱和电流是产生自旋阀层磁化所需的电流)，满足这两个条件的前提下，可有效地控制电流大小。自旋阀控制器与读写控制器相连接，由读写控制器输出同步信号至自旋阀控制器，以驱动自旋阀控制器，从而实现对记忆单元的读写操作。
同时需要指出的是，上述两个实施例中磁性隧道结12、中间层13、自旋阀层14层叠顺序也可以倒置，即自旋阀层14与顶电极11相邻设置，磁性隧道结12与底电极15相邻设置，其中中间层13还是同样与磁性隧道结12中的磁性记忆层123相邻。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (18)
1.一种磁性随机存储器记忆单元，包括堆叠结构，所述堆叠结构包括：
磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；
其特征在于，所述堆叠结构还包括：
中间层，所述中间层的材料是金属氧化物或非磁性金属，并且与所述磁性记忆层相邻；
自旋阀层，所述自旋阀层的材料是铁磁性合金，其磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性；所述自旋阀层与所述中间层相邻；
并且
所述磁性随机存储器记忆单元还包括自旋阀控制层，所述自旋阀控制层是与所述堆叠结构相间隔设置的导电层；所述自旋阀控制层的结构满足：流经所述自旋阀控制层的电流能够产生垂直于所述自旋阀层的层表面的磁场或磁场分量。
2.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述磁性参考层、所述隧道势垒层和所述磁性记忆层形成第一磁性隧道结，所述自旋阀层、所述中间层和所述磁性记忆层形成第二磁性隧道结或巨磁阻结构，所述第二磁性隧道结或所述巨磁阻结构的磁电阻小于所述第一磁性隧道结的磁电阻。
3.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述自旋阀控制层与所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表面相平行的平面，所述平面分别与所述自旋阀控制层和所述自旋阀层相交。
4.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述自旋阀层的磁各向异性小于或等于所述磁性记忆层的磁各向异性的70％。
5.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，作为所述自旋阀层材料的铁磁性合金中至少一种元素为Co、Fe、Ni或B。
6.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，作为所述中间层材料的金属氧化物是MgO、ZnO或MgZnO；作为所述中间层材料的非磁性金属是Cu、Ag、Au或Ru。
7.如权利要求1所述的磁性随机存储器记忆单元，其特征在于，所述自旋阀控制层包括第一控制层和第二控制层，所述第一控制层和所述第二控制层分别设置在所述自旋阀层的两侧，并且所述第一控制层、所述第二控制层和所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表面相平行的平面，所述平面分别与所述第一控制层、所述第二控制层和所述自旋阀层相交。
8.一种如权利要求1-6任一所述的磁性随机存储器记忆单元的读写方法，其特征在于，流经所述自旋阀控制层的电流产生的磁场将所述自旋阀层设置为第一状态或第二状态；
当所述自旋阀层处于所述第一状态时，所述自旋阀层的磁化方向反平行于所述磁性参考层的磁化方向；
当所述自旋阀层处于所述第二状态时，所述自旋阀层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的写操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第一状态，再通过在所述堆叠结构中加载电流，以改变所述磁性记忆层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的读操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第二状态，再在所述堆叠结构上加载电压，以读取电流。
9.如权利要求8所述的读写方法，其特征在于，所述写操作中，
当流经所述堆叠结构的电流方向是从所述磁性参考层指向所述自旋阀层时，在自旋转移矩作用下，所述磁性记忆层的磁化方向反平行于所述磁性参考层的磁化方向；
当流经所述堆叠结构的电流方向是从所述自旋阀层指向所述磁性参考层时，在自旋转移矩作用下，所述磁性记忆层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向。
10.一种如权利要求7所述的磁性随机存储器记忆单元的读写方法，其特征在于，流经所述第一控制层的电流产生的磁场和流经所述第二控制层的电流产生的磁场共同作用将所述自旋阀层设置为第一状态或第二状态；
当所述自旋阀层处于所述第一状态时，所述自旋阀层的磁化方向反平行于所述磁性参考层的磁化方向；
当所述自旋阀层处于所述第二状态时，所述自旋阀层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的写操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第一状态，再通过在所述堆叠结构中加载电流，以改变所述磁性记忆层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的读操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第二状态，再在所述堆叠结构上加载电压，以读取电流。
11.如权利要求10所述的读写方法，其特征在于，在设置所述自旋阀层的状态时，流经所述第一控制层的电流方向与流经所述第二控制层的电流方向相反。
12.一种如权利要求1-6任一所述的磁性随机存储器记忆单元之间的抗干扰方法，至少包括两个所述磁性随机存储器记忆单元，即第一记忆单元和第二记忆单元，其特征在于，当所述第一记忆单元通过在其自旋阀控制层加载电流来设置其自旋阀层的磁化方向时，所述第二记忆单元通过在其自旋阀控制层加载与所述电流反向的电流来抵消所述电流对其自旋阀层的磁化方向的影响。
13.一种磁性随机存储器记忆单元，包括字线、MOS管和堆叠结构，所述字线与所述MOS管的栅极连接，所述堆叠结构与所述MOS管的漏极或源极连接，所述堆叠结构包括：
磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
隧道势垒层，所述隧道势垒层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻；
其特征在于，所述堆叠结构还包括：
中间层，所述中间层的材料是金属氧化物或非磁性金属，并且与所述磁性记忆层相邻；
自旋阀层，所述自旋阀层的材料是铁磁性合金，其磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；所述自旋阀层的磁各向异性小于所述磁性记忆层的磁各向异性；所述自旋阀层与所述中间层相邻；
并且
所述字线与所述自旋阀层的相对位置满足：存在至少一个与所述自旋阀层的层表面相平行的平面，所述平面分别与所述字线和所述自旋阀层相交；所述字线的走向满足：流经所述字线的电流能够产生垂直于所述自旋阀层的层表面的磁场或磁场分量。
14.一种如权利要求13所述的磁性随机存储器记忆单元的读写方法，其特征在于，在字线上加电压打开MOS管，同时输出电流将所述自旋阀层设置为第一状态或第二状态；
当所述自旋阀层处于所述第一状态时，所述自旋阀层的磁化方向反平行于所述磁性参考层的磁化方向；
当所述自旋阀层处于所述第二状态时，所述自旋阀层的磁化方向平行于所述磁性参考层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的写操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第一状态，再通过在所述堆叠结构中加载电流，以改变所述磁性记忆层的磁化方向；
所述磁性随机存储器记忆单元的读操作包括：先将所述自旋阀层设置为所述第二状态，再在所述堆叠结构上加载电压，以读取电流。
15.一种如权利要求13所述的磁性随机存储器记忆单元之间的抗干扰方法，至少包括两个所述磁性随机存储器记忆单元，即第一记忆单元和第二记忆单元，其特征在于，当所述第一记忆单元通过在其字线加载电流来设置其自旋阀层的磁化方向时，所述第二记忆单元通过在其字线加载与所述电流反向的电流来抵消所述电流对其自旋阀层的磁化方向的影响。
16.一种使用如权利要求13所述的磁性随机存储器记忆单元所组成的记忆单元阵列架构，包括连接记忆单元阵列的读写控制器，其特征在于，还包括自旋阀控制器，字线的一端连接所述自旋阀控制器，所述自旋阀控制器用于向所述字线提供电流或电压信号，并且所述自旋阀控制器还与所述读写控制器相连接，以接收来自所述读写控制器的同步信号。
17.如权利要求16所述的记忆单元阵列架构，其特征在于，所述自旋阀控制器上对应每根所述字线分别设置一个MOS管。
18.如权利要求17所述的记忆单元阵列架构，其特征在于，当所述自旋阀控制器在所述字线上加载信号时，所述字线两端的电压使所述字线所连接的每个记忆单元的MOS管都工作在线性区，并且使所述字线对应在所述自旋阀控制器上的MOS管工作在饱和区，流经所述字线的饱和电流是产生自旋阀层磁化所需的电流。
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